Pinch Pass: Técnica de laminación crítica para el control del espesor de la banda de acero

Definición y concepto básico

Un pase de pinza es una técnica especializada de laminado en la industria siderúrgica donde el material en fleje o lámina se somete a una ligera compresión entre rodillos de trabajo con una reducción mínima de espesor. Este proceso busca principalmente mejorar la planitud, el acabado superficial y la precisión dimensional, en lugar de reducir significativamente el espesor del material.

El prensado por presión es una operación de acabado crucial en la producción de productos planos de acero de alta calidad, especialmente cuando se requiere un control dimensional preciso y características superficiales superiores. Esta técnica aplica una presión controlada a lo ancho del material para corregir defectos de forma y garantizar un espesor uniforme.

En el contexto más amplio del procesamiento metalúrgico, el prensado de presión representa un paso intermedio entre el laminado de reducción sustancial y las operaciones de acabado final. Cubre la brecha entre los procesos de conformado primario y los requisitos del producto final, permitiendo a los fabricantes cumplir con especificaciones cada vez más estrictas para aplicaciones de acero avanzadas.

Naturaleza física y fundamento teórico

Mecanismo físico

A nivel microestructural, el prensado por compresión induce una ligera deformación plástica en las capas superficiales del acero, manteniendo la estructura del núcleo prácticamente inalterada. Esta deformación selectiva crea un estado de tensión controlado que ayuda a redistribuir las tensiones internas generadas durante los pasos de procesamiento previos.

El mecanismo implica interacciones elastoplásticas donde los rodillos de trabajo aplican suficiente presión para causar fluencia en regiones localizadas con defectos de forma o variaciones de espesor. Esta fluencia selectiva permite que el material fluya ligeramente, aliviando las tensiones residuales y corrigiendo las irregularidades de forma sin alterar significativamente la microestructura global.

La mecánica de contacto entre los rodillos de trabajo y la superficie del acero crea un complejo campo de tensiones que penetra a distintas profundidades según la fuerza aplicada, el diámetro del rodillo y las propiedades del material. Este campo de tensiones ayuda a normalizar la distribución interna de tensiones del material, minimizando al mismo tiempo los cambios en las propiedades mecánicas previamente establecidas.

Modelos teóricos

El principal modelo teórico que describe el paso de pinzamiento es el modelo de contacto elasto-plástico, que caracteriza la interacción entre rodillos cilíndricos y una superficie plana deformable. Este modelo, desarrollado inicialmente por Hertz para el contacto elástico y posteriormente ampliado por investigadores como Orowan y Ford para la deformación plástica, sienta las bases para comprender la distribución de tensiones durante el paso de pinzamiento.

La comprensión histórica del paso de pinzamiento evolucionó desde prácticas empíricas en el taller a principios del siglo XX hasta modelos analíticos más sofisticados en la década de 1950. El desarrollo del análisis de elementos finitos en las décadas de 1970 y 1980 hizo avanzar significativamente la comprensión teórica de los campos de tensión durante las operaciones de laminación ligera.

Los enfoques modernos incluyen tanto modelos analíticos basados ​​en la teoría clásica de la plasticidad como simulaciones numéricas mediante métodos de elementos finitos. Si bien los modelos analíticos proporcionan aproximaciones rápidas, adecuadas para entornos de producción, los modelos computacionales ofrecen información más detallada sobre fenómenos complejos como los efectos de borde y la deformación no uniforme.

Fundamentos de la ciencia de los materiales

El paso de pinzamiento interactúa con la estructura cristalina del acero principalmente a nivel superficial, donde pueden introducirse o reorganizarse dislocaciones. El proceso generalmente no altera significativamente los límites de grano, pero puede afectar la densidad de dislocaciones cerca de la superficie.

La eficacia del paso de pinzado se relaciona directamente con la microestructura del material, en particular con su límite elástico, sus características de endurecimiento por acritud y sus propiedades de recuperación elástica. Los materiales con diferentes composiciones de fase (ferrita, perlita, martensita) responden de forma distinta a las operaciones de paso de pinzado.

El principio fundamental de la ciencia de los materiales que subyace al paso de pinza es la deformación elastoplástica controlada, donde la tensión aplicada excede el límite elástico en áreas específicas mientras permanece por debajo de niveles que causarían una deformación masiva significativa o cambios microestructurales.

Métodos de expresión y cálculo matemático

Fórmula de definición básica

La relación básica que rige el paso de pinzamiento se puede expresar a través de la fórmula de presión de balanceo:

$$P = \frac{F}{L \cdot w}$$

Dónde:
- $P$ es la presión específica del rodillo (MPa)
- $F$ es la fuerza de rodadura total (N)
- $L$ es la longitud de contacto entre el rollo y la tira (mm)
- $w$ es el ancho de la tira (mm)

Fórmulas de cálculo relacionadas

La longitud de contacto entre el rollo y la tira se puede calcular utilizando:

$$L = \sqrt{R \cdot \Delta h}$$

Dónde:
- $L$ es la longitud del contacto (mm)
- $R$ es el radio del rollo (mm)
- $\Delta h$ es la reducción absoluta del espesor (mm)

El aplanamiento elástico de los rodillos durante el paso de pinza se puede estimar utilizando la fórmula de Hitchcock:

$$R' = R \left(1 + \frac{16(1-\nu^2)P}{\pi E \cdot \Delta h/L}\right)$$

Dónde:
- $R'$ es el radio del rollo deformado (mm)
- $R$ es el radio del rollo no deformado (mm)
- $\nu$ es el coeficiente de Poisson para el material del rollo
- $E$ es el módulo de Young para el material del rollo (MPa)
- $P$ es la presión específica del rodillo (MPa)

Condiciones y limitaciones aplicables

Estas fórmulas son válidas principalmente para reducciones pequeñas donde $\Delta h$ suele ser inferior al 1 % del espesor de la banda de entrada. Más allá de este rango, se requieren modelos de plasticidad más complejos.

Los modelos asumen propiedades homogéneas del material y condiciones isotérmicas. Las variaciones de temperatura a lo largo del ancho o espesor de la banda pueden afectar significativamente los resultados reales.

Estos cálculos también suponen rodillos perfectamente alineados y un material entrante uniforme. En la práctica, para obtener predicciones precisas, es necesario considerar la deflexión de los rodillos, la desalineación y las variaciones en la forma de la banda entrante.

Métodos de medición y caracterización

Especificaciones de pruebas estándar

La norma ASTM A568/A568M proporciona especificaciones estándar para productos de chapa de acero donde comúnmente se aplica el paso de pinzamiento, cubriendo tolerancias dimensionales y requisitos de acabado de superficie.

La norma ISO 16160 establece métodos para la medición de la planitud de productos de chapa de acero, un parámetro de calidad clave afectado por las operaciones de paso de pinzamiento.

La norma ASTM E1030 detalla los procedimientos para el examen radiográfico de superficies metálicas, que pueden usarse para evaluar la calidad de la superficie después del paso por pinzamiento.

Equipos y principios de prueba

Los sistemas de medición de planitud óptica que utilizan sensores de triangulación láser escanean la superficie de la tira para crear mapas topográficos detallados que muestran desviaciones de forma con precisión a nivel de micrones.

Los medidores de perfil de espesor que utilizan métodos de contacto (basados ​​en micrómetros) o sin contacto (rayos X, rayos gamma u ópticos) miden las variaciones de espesor a lo largo y ancho del material pasado por pinzamiento.

Los analizadores de rugosidad de la superficie que emplean técnicas ópticas o basadas en palpadores cuantifican los parámetros de textura de la superficie (Ra, Rz, etc.) antes y después del paso de pinza para evaluar las mejoras en el acabado de la superficie.

Requisitos de muestra

Las muestras de prueba estándar generalmente requieren dimensiones mínimas de 300 mm × 300 mm para representar adecuadamente las características de forma del material después del paso por pinzamiento.

La preparación de la superficie generalmente implica solo el desengrasado para eliminar los aceites de procesamiento sin alterar el acabado de la superficie que necesita evaluarse.

Las muestras deben estar correctamente identificadas con la dirección de laminado claramente marcada, ya que los defectos de forma y su corrección mediante pasadas de presión a menudo muestran dependencias direccionales.

Parámetros de prueba

Las mediciones normalmente se realizan a temperatura ambiente (20 ± 2 °C) después de que el material se haya enfriado y estabilizado por completo luego de la operación de paso de pinzamiento.

Las condiciones ambientales deben mantener la humedad relativa por debajo del 60% para evitar la oxidación de la superficie que podría afectar la precisión de la medición.

Se requieren múltiples mediciones a lo largo y ancho de la muestra para caracterizar la distribución de propiedades, siendo la práctica estándar al menos cinco puntos de medición a lo ancho.

Proceso de datos

La recopilación de datos primarios implica el mapeo digital de la topografía de la superficie y los perfiles de espesor, con puntos de medición generalmente espaciados a intervalos de 10 a 50 mm.

El análisis estadístico incluye el cálculo de desviaciones estándar de las mediciones de espesor y planitud para cuantificar la uniformidad, donde los valores del coeficiente de variación inferiores al 0,5 % suelen indicar un paso de pinza exitoso.

Los valores finales se determinan promediando múltiples mediciones y excluyendo las regiones de borde (normalmente entre 25 y 50 mm de cada borde) donde predominan los efectos de borde.

Rangos de valores típicos

Clasificación del acero	Rango de reducción típico	Rango de fuerza de balanceo	Estándar de referencia
Lámina de bajo carbono	0,1-0,5%	5-15 MN/m	ASTM A1011
Alta resistencia y baja aleación	0,05-0,3%	10-25 MN/m	ASTM A1018
Acero avanzado de alta resistencia	0,02-0,2%	15-30 MN/m	ASTM A1079
Acero eléctrico	0,01-0,15%	8-20 MN/m	ASTM A677

Las variaciones dentro de cada clasificación dependen principalmente del espesor del material de entrada, el acabado superficial deseado y los defectos de forma específicos que se estén abordando. Los materiales más gruesos y aquellos con defectos de forma más severos generalmente requieren niveles de fuerza mayores.

Estos valores deben interpretarse como puntos de partida para la configuración del proceso, ya que los parámetros reales requieren ajustes según las condiciones específicas del material y las características del equipo. Los molinos modernos suelen emplear sistemas de control adaptativo que ajustan los parámetros de paso de pinza en tiempo real.

Una tendencia notable entre los tipos de acero es que los materiales de mayor resistencia generalmente requieren reducciones porcentuales menores para lograr mejoras de forma similares, aunque con fuerzas específicas más altas debido a su mayor límite elástico.

Análisis de aplicaciones de ingeniería

Consideraciones de diseño

Los ingenieros deben tener en cuenta la recuperación elástica del material después del paso por compresión, y normalmente aplican factores de compensación de 1,1 a 1,3 a la deformación prevista al diseñar los ajustes del espacio entre rodillos.

Los factores de seguridad para los cálculos de fuerza del rodillo generalmente varían entre 1,2 y 1,5 para adaptarse a las variaciones en las propiedades del material entrante y evitar la sobrecarga del rodillo durante la producción.

La selección del material para los rodillos de trabajo debe equilibrar los requisitos de dureza para la resistencia al desgaste con la tenacidad suficiente para evitar la rotura de los rodillos bajo las altas tensiones localizadas características de las operaciones de paso por presión.

Áreas de aplicación clave

Los paneles expuestos de automóviles representan un área de aplicación crítica donde el paso de pinza garantiza la planitud y la calidad de superficie requeridas para superficies de Clase A. Estos componentes exigen tolerancias de forma inferiores a 0,1 mm/m y valores de rugosidad superficial Ra de 0,4-1,2 μm.

La producción de acero eléctrico se basa en el paso de pinza para mantener tolerancias de espesor precisas sin alterar la estructura de grano, cuidadosamente desarrollada, que determina las propiedades magnéticas. Las variaciones de espesor deben mantenerse normalmente por debajo del ±2 % para garantizar un rendimiento electromagnético constante.

Los aceros para envases de alimentos y bebidas utilizan el prensado por presión para lograr la excepcional planitud necesaria para operaciones de conformado y procesos de impresión a alta velocidad. Estas aplicaciones suelen requerir desviaciones de planitud inferiores a 0,05 mm en todo el ancho.

Compensaciones en el rendimiento

La mejora del acabado superficial mediante el paso de presión suele ir en detrimento de un ligero endurecimiento por acritud, lo que puede reducir la conformabilidad posterior. Esta desventaja es especialmente significativa en aplicaciones de embutición profunda, donde la conservación del valor n es crucial.

La mejora de la planitud debe equilibrarse con las posibles variaciones de espesor, ya que una corrección de forma agresiva puede redistribuir el material de forma desigual a lo ancho. Este equilibrio es especialmente complejo en productos de tiras anchas superiores a 1500 mm.

Los ingenieros también deben equilibrar la velocidad de producción con los resultados de calidad, ya que las velocidades más altas reducen el tiempo de contacto y pueden limitar la eficacia de la corrección de forma al tiempo que mejoran el rendimiento.

Análisis de fallos

El marcado de los rodillos es un modo de fallo común en el que una presión local excesiva crea impresiones visibles en la superficie de la banda. Estos defectos suelen deberse a residuos en los rodillos, daños en la superficie de los rodillos o una fuerza excesiva en los rodillos.

Un paso de presión incorrecto puede exacerbar los defectos de forma en lugar de corregirlos, especialmente cuando los controles de doblado del rodillo están mal ajustados. Esto puede transformar un defecto de forma (como una pandeo central) en otro (como una ondulación del borde).

Las estrategias de mitigación incluyen la implementación de sistemas de limpieza continua de rodillos, el uso de texturizado de la superficie de los rodillos de trabajo para mejorar la distribución de la presión y el empleo de sistemas avanzados de medición de forma para el control de circuito cerrado de la fuerza y ​​la flexión de los rodillos.

Factores influyentes y métodos de control

Influencia de la composición química

El contenido de carbono afecta significativamente la efectividad del paso de pinza; los aceros con mayor contenido de carbono generalmente requieren mayores fuerzas de laminación debido a una mayor resistencia al rendimiento, pero muestran una menor recuperación elástica después de la deformación.

Los elementos residuales como el fósforo y el azufre pueden crear puntos duros locales que responden de manera diferente al paso de presión, lo que puede provocar una deformación desigual y defectos de forma persistentes.

Los enfoques de optimización incluyen un control estricto de la homogeneidad de la composición y el ajuste de los parámetros de paso de pinza en función de mediciones de las propiedades del material en tiempo real en lugar de especificaciones nominales.

Influencia microestructural

Las variaciones del tamaño del grano a lo ancho o a lo largo del espesor crean propiedades mecánicas no uniformes que responden de manera diferente al paso de pinzamiento, lo que puede causar problemas de forma persistentes a pesar de la aplicación de una fuerza promedio adecuada.

La distribución de fases, particularmente en aceros de doble fase o multifase, crea regiones con límites de elasticidad drásticamente diferentes que se deforman de manera desigual durante el paso de pinzamiento, lo que requiere un control cuidadoso de la distribución de la fuerza.

Las inclusiones no metálicas pueden crear puntos de concentración de tensión durante el paso de pinzamiento, lo que puede provocar defectos en la superficie o adelgazamiento localizado que compromete la calidad del producto.

Influencia del procesamiento

Las condiciones del tratamiento térmico previo afectan significativamente la respuesta del material al paso por pinzamiento, y los materiales recocidos muestran una deformación más uniforme en comparación con los estados endurecidos por trabajo.

El historial de reducción del laminado en frío afecta el estado de tensión residual que ingresa al paso de pinzamiento, y las reducciones previas más altas generalmente requieren un paso de pinzamiento más agresivo para lograr mejoras de planitud comparables.

Los patrones de enfriamiento de los procesos de laminado en caliente o recocido crean gradientes de temperatura que resultan en una contracción térmica no uniforme, lo que requiere que los parámetros de paso de presión se ajusten en función del historial térmico del material.

Factores ambientales

La temperatura de funcionamiento afecta tanto la resistencia al rendimiento del material como las propiedades elásticas del rodillo; las temperaturas más altas generalmente reducen las fuerzas de rodillo requeridas pero aumentan potencialmente las tasas de desgaste del rodillo.

Las condiciones de lubricación en la interfaz rodillo-tira afectan significativamente los coeficientes de fricción, lo que afecta tanto la distribución de la presión como los resultados del acabado superficial de las operaciones de paso de presión.

La humedad ambiente puede influir en las tasas de oxidación de la superficie entre los pasos de procesamiento, lo que puede cambiar las características de la superficie antes del paso de pellizco y afectar la calidad final de la superficie.

Métodos de mejora

Los sistemas de enfriamiento de rodillos diferenciales que crean coronas térmicas controladas proporcionan un método metalúrgicamente neutral para mejorar la efectividad del paso de presión al mejorar la distribución del contacto a lo largo del ancho de la banda.

La texturización de los rodillos de trabajo mediante granallado, texturización por haz de electrones o texturización por láser crea patrones de superficie controlados que mejoran la distribución de la presión y evitan que se atasquen durante las operaciones de paso de presión.

La implementación de sistemas dinámicos de doblado de rodillos con múltiples zonas de control permite el ajuste en tiempo real del perfil del espacio entre rodillos para compensar las variaciones de forma entrantes y optimizar los resultados de planitud.

Términos y normas relacionados

Términos relacionados

La nivelación por tensión es un proceso complementario que a menudo se utiliza junto con el paso de pinza, donde se aplica una tensión longitudinal controlada a la tira para mejorar aún más la planitud a través de una deformación elastoplástica.

El paso de piel se refiere a un paso de reducción muy ligero (normalmente <0,5 %) destinado específicamente a mejorar el acabado de la superficie y eliminar el alargamiento del punto de fluencia en lugar de corregir la forma.

El doblado de rodillos describe la aplicación intencional de fuerzas para modificar el perfil del espacio entre rodillos a lo ancho, creando una distribución de presión no uniforme que apunta selectivamente a defectos de forma específicos.

Estos procesos a menudo funcionan juntos en líneas de acabado integradas, donde el paso de presión proporciona una corrección de forma inicial, la nivelación de tensión aborda las tensiones residuales y el paso de piel proporciona las características finales de la superficie.

Normas principales

ASTM A568/A568M "Especificación estándar para acero, chapa, carbono, estructural y de alta resistencia, baja aleación, laminado en caliente y laminado en frío" proporciona requisitos integrales para productos laminados planos donde comúnmente se aplica el paso de pinza.

La norma EN 10131 "Productos planos de acero de bajo contenido en carbono y alto límite elástico, laminados en frío sin revestimiento y revestidos electrolíticamente con zinc o zinc-níquel, para conformación en frío" detalla los requisitos europeos de calidad de superficie y tolerancias dimensionales alcanzables mediante paso de presión.

JIS G 3141 "Chapas y tiras de acero al carbono reducido en frío" establece estándares industriales japoneses para categorías de acabado superficial y tolerancias de planitud que guían los parámetros del proceso de paso por presión.

Estas normas muestran diferencias notables en los métodos de medición de planitud y bandas de tolerancia, y las normas europeas generalmente especifican requisitos de planitud más estrictos que sus contrapartes estadounidenses o asiáticas.

Tendencias de desarrollo

Los sistemas avanzados de medición en línea que utilizan múltiples escáneres láser y reconocimiento de defectos basado en IA permiten el ajuste en tiempo real de los parámetros de paso de pinza en función de las condiciones del material entrante.

Las tecnologías emergentes en ingeniería de superficies de rodillos, incluidos los recubrimientos nanoestructurados y los materiales clasificados funcionalmente, están ampliando la vida útil de los rodillos y al mismo tiempo permitiendo un control más preciso de las interacciones de la superficie durante el paso de pinza.

Es probable que los desarrollos futuros se centren en la integración del paso de pinza en sistemas de producción totalmente automatizados donde los pasaportes de material digitales rastrean el historial de procesamiento y los modelos predictivos optimizan los parámetros para cada bobina específica en función de sus características únicas y la aplicación prevista.