Tocho/palanquilla en la producción de acero: descripción general de los procesos y equipos clave

Definición y concepto básico

Un tocho o palanquilla es un producto de acero semiacabado producido durante los procesos primarios de fabricación de acero, que sirve como insumo fundamental para las operaciones posteriores de laminación o forjado. Estos productos se caracterizan por sus dimensiones transversales específicas y sirven como materia prima para la fabricación de diversas formas de acero terminadas, como barras, varillas y perfiles estructurales.

El término "bloom" se refiere típicamente a un lingote o producto fundido de acero de gran tamaño, de sección transversal cuadrada o rectangular, que generalmente supera los 200 mm de sección transversal. El término "tonel" se refiere a un producto de sección transversal más pequeña, generalmente inferior a 200 mm, que suele producirse directamente mediante procesos de colada continua o de lingotes.

Dentro de la cadena siderúrgica, los desbastes y las palanquillas son productos intermedios que se forman tras la fusión primaria, el refinado y la colada. Son esenciales para convertir el acero líquido en formas utilizables, lo que permite el laminado en caliente, el laminado en frío o la forja posteriores para producir productos finales como láminas, placas, barras y componentes estructurales.

Se ubican en el flujo del proceso después de la fusión y colada del acero, pero antes de los procesos de deformación en caliente o en frío. Actúan como puente entre la producción de acero bruto y la fabricación del producto terminado, influyendo en la calidad del producto final, sus propiedades mecánicas y su precisión dimensional.

---

Diseño técnico y operación

Tecnología central

La producción de tochos y palanquillas implica principalmente la tecnología de colada continua, que reemplaza a la colada de lingotes tradicional debido a su eficiencia y a su mejor control de calidad.

El principio fundamental de ingeniería se basa en la solidificación controlada del acero fundido dentro de un molde refrigerado por agua, lo que permite la extracción continua de piezas de acero semielaboradas. Este proceso minimiza los defectos asociados a la fundición de lingotes, como la segregación y la porosidad.

Los componentes tecnológicos clave incluyen la artesa, el molde, el sistema de guiado de hilos y el mecanismo de extracción. La artesa actúa como depósito, alimentando el acero fundido al molde. El molde, generalmente de cobre o aleación de cobre refrigerado por agua, moldea el acero y facilita la solidificación inicial.

El sistema de guiado de cordones garantiza el movimiento continuo del acero en proceso de solidificación, mientras que el sistema de extracción mantiene una velocidad de colada constante. Las zonas de enfriamiento secundario controlan aún más la solidificación y el desarrollo de la microestructura.

Los flujos de material implican la entrada del acero fundido en la artesa, su flujo hacia el molde, su solidificación en hebra y su extracción continua. El proceso se controla rigurosamente para producir secciones transversales uniformes con dimensiones precisas.

Parámetros del proceso

Las variables críticas del proceso incluyen la velocidad de fundición, la temperatura del molde, la velocidad de enfriamiento y las dimensiones de la sección transversal de la hebra.

Las velocidades típicas de colada oscilan entre 0,5 y 2,0 metros por minuto, según el grado del acero y el tamaño de la sección transversal. La temperatura del molde se mantiene entre 1400 °C y 1600 °C para garantizar una fluidez y solidificación adecuadas.

Las velocidades de enfriamiento se ajustan para controlar la microestructura y las propiedades mecánicas, generalmente entre 10 °C/seg y 50 °C/seg en zonas de enfriamiento secundario.

La relación entre estos parámetros influye en la microestructura, los defectos internos, la calidad de la superficie y la precisión dimensional del tocho o palanquilla.

Los sistemas de control utilizan sensores en tiempo real, como cámaras térmicas, dispositivos de medición láser y monitores acústicos, integrados en sistemas de automatización para la regulación continua del proceso.

Configuración del equipo

Las máquinas de colada continua típicas para tochos y palanquillas están equipadas con un molde horizontal o vertical, según las preferencias de diseño. La longitud del molde varía de 3 a 6 metros, con dimensiones de sección transversal que van desde 150 mm x 150 mm hasta 300 mm x 300 mm para las palanquillas, y mayores para los tochos.

Las instalaciones modernas ofrecen configuraciones de hilos curvos o rectos, con sistemas avanzados de refrigeración por agua y controles de automatización. La máquina de colada puede alcanzar más de 50 metros de longitud, abarcando todo el proceso, desde la artesa hasta la extracción.

Las evoluciones del diseño incluyen la adopción de fundición de losas delgadas para losas, pero para tochos y palanquillas, las mejoras se centran en aumentar la velocidad de fundición, reducir la formación de defectos y mejorar el control microestructural.

Los sistemas auxiliares incluyen dispositivos de calentamiento o agitación de artesas, sistemas de suministro de fundente para moldes y zonas de enfriamiento secundario con boquillas de pulverización ajustables. Estos sistemas garantizan una solidificación uniforme y una buena calidad superficial.

---

Química de Procesos y Metalurgia

Reacciones químicas

Durante la fundición, las reacciones químicas primarias implican la solidificación del acero desde la fase líquida, y en el proceso mismo se producen reacciones químicas mínimas.

Sin embargo, la oxidación de elementos de aleación como el manganeso, el silicio y el cromo puede ocurrir en la superficie del acero si las atmósferas protectoras o los fundentes no se gestionan adecuadamente. Esta oxidación puede provocar la formación de inclusiones y variaciones en la composición.

Los principios termodinámicos rigen la estabilidad de varias fases durante la solidificación, y la velocidad de enfriamiento influye en la formación de microestructuras de ferrita, perlita, bainita o martensita.

Los productos de reacción importantes incluyen escorias e inclusiones, que se originan a partir de impurezas y fundentes utilizados durante la fundición. Una gestión adecuada de las escorias minimiza el atrapamiento de inclusiones y los defectos superficiales.

Transformaciones metalúrgicas

Durante la solidificación y el enfriamiento posterior se producen cambios metalúrgicos clave. A medida que el acero fundido se enfría, se forman microestructuras primarias, como las dendritas, que influyen en el tamaño de grano final y las propiedades mecánicas.

La microestructura se desarrolla a través de transformaciones de fase, donde el enfriamiento controlado promueve fases deseables como la ferrita y la perlita para la ductilidad, o la bainita y la martensita para la resistencia.

El tratamiento térmico o el procesamiento termomecánico después de la fundición pueden modificar aún más las microestructuras, refinando el tamaño del grano y reduciendo las tensiones residuales.

Estas transformaciones impactan directamente en las propiedades mecánicas, como la resistencia a la tracción, la tenacidad y la ductilidad, del producto final.

Interacciones materiales

Las interacciones entre el acero, la escoria, el revestimiento refractario y la atmósfera son fundamentales para el control de calidad.

La escoria interactúa con la superficie del acero fundido, eliminando impurezas y protegiéndolo de la oxidación. Una composición y un flujo adecuados de la escoria son esenciales para evitar la acumulación de inclusiones.

Los revestimientos refractarios en el molde y la artesa están sujetos a altas temperaturas y ataques químicos, lo que produce desgaste y posible contaminación si no se mantienen adecuadamente.

Los gases atmosféricos, como el oxígeno y el nitrógeno, pueden disolverse en el acero, provocando desoxidación o absorción de nitrógeno, lo que puede afectar las propiedades mecánicas.

Los métodos para controlar interacciones no deseadas incluyen mantener atmósferas protectoras, optimizar la química de la escoria y seleccionar materiales refractarios resistentes al ataque químico.

---

Flujo de procesos e integración

Materiales de entrada

El insumo principal es acero fundido de alta calidad, generalmente producido mediante hornos básicos de oxígeno (BOF) u hornos de arco eléctrico (EAF). Los grados de acero varían desde aceros con bajo contenido de carbono hasta aceros de alta aleación, con composiciones químicas específicas.

Los insumos adicionales incluyen elementos de aleación, fundentes y agentes de desulfuración, adaptados a las propiedades del acero deseadas.

La preparación del material implica garantizar que la temperatura, la composición y la limpieza del acero fundido cumplan con las especificaciones del proceso. La manipulación incluye la transferencia de la cuchara y la alimentación por artesa.

La calidad de entrada influye directamente en la estabilidad de la pieza fundida, la tasa de defectos y la microestructura final. Las impurezas o composiciones inconsistentes pueden causar defectos superficiales o inclusiones internas.

Secuencia de proceso

La secuencia comienza con la transferencia del acero fundido a la artesa, que alimenta el molde. A continuación, se procede a la colada continua, con la solidificación del cordón al ser extraído a velocidad controlada.

Las zonas de enfriamiento secundario regulan el proceso de solidificación, garantizando una microestructura y una calidad de superficie uniformes.

Una vez alcanzada la longitud deseada, el cordón se corta en tochos o tochos con cizallas calientes o cortadoras mecánicas. Los productos semiacabados se enfrían, se inspeccionan y se preparan para su posterior procesamiento.

Los tiempos de ciclo dependen de las dimensiones de la sección transversal y de las velocidades de fundición, y normalmente varían entre 30 minutos y varias horas por hebra.

Puntos de integración

Este proceso interactúa con unidades de fabricación de acero aguas arriba (BOF o EAF) y con laminadores en caliente, prensas de forja o instalaciones de tratamiento térmico aguas abajo.

Los flujos de materiales y datos incluyen informes de composición química, perfiles de temperatura y parámetros del proceso, lo que permite operaciones coordinadas.

Los sistemas de almacenamiento intermedio, como los patios de almacenamiento intermedios o los hornos cuchara, se adaptan a las fluctuaciones de la demanda ascendente o descendente, lo que garantiza una producción continua.

La integración eficiente minimiza los retrasos, reduce el inventario y mejora la productividad general de la planta.

---

Rendimiento y control operativo

Parámetros de rendimiento	Rango típico	Factores influyentes	Métodos de control
Velocidad de lanzamiento	0,5 – 2,0 m/min	Grado de acero, velocidad de enfriamiento	Regulación automatizada de velocidad basada en sensores térmicos
Calidad de la superficie	90 – 98% libre de defectos	Estado del molde, uniformidad de enfriamiento	Mantenimiento regular del molde, enfriamiento secundario optimizado
Uniformidad de la microestructura	Logrado en el 100% de la longitud del lanzamiento	Velocidad de enfriamiento, contenido de aleación	Monitoreo de temperatura en tiempo real, modelado de procesos
Precisión dimensional	±2 mm	Diseño de moldes, tasa de retirada	Control preciso de la velocidad de extracción y de la temperatura del molde.

Los parámetros operativos influyen directamente en la microestructura, las propiedades mecánicas y la formación de defectos en el producto semiacabado final.

El monitoreo en tiempo real emplea sensores de temperatura, tensión y emisiones acústicas, integrados en sistemas de control para realizar ajustes inmediatos.

Las estrategias de optimización incluyen el ajuste de la velocidad de fundición, la intensidad de enfriamiento y la composición del flujo del molde para maximizar el rendimiento, minimizar los defectos y garantizar una calidad constante.

---

Equipos y mantenimiento

Componentes principales

La máquina de colada continua incluye el molde, el artesa, el sistema de guiado de hilos, las zonas de enfriamiento secundario y el mecanismo de extracción.

El molde, a menudo fabricado con aleaciones de cobre, cuenta con canales refrigerados por agua para mantener la estabilidad térmica. La artesa incluye revestimientos refractarios y dispositivos de control de flujo.

Los sistemas de enfriamiento utilizan boquillas de pulverización, bombas de circulación de agua y sensores de temperatura para regular la solidificación. El sistema de extracción emplea actuadores hidráulicos o mecánicos para un movimiento preciso de la hebra.

Las piezas de desgaste críticas incluyen placas de cobre de molde, revestimientos refractarios y boquillas de pulverización, con vidas útiles típicas que varían entre 6 meses y 2 años, dependiendo de la intensidad de la operación.

Requisitos de mantenimiento

El mantenimiento de rutina implica limpiar las superficies del molde, inspeccionar los revestimientos refractarios y calibrar los sensores y los sistemas de control.

El mantenimiento predictivo emplea técnicas de monitoreo de condiciones como termografía, análisis de vibraciones y pruebas de emisión acústica para detectar signos tempranos de desgaste o falla.

Las reparaciones importantes incluyen el reemplazo de moldes, el revestimiento refractario y la renovación de componentes, a menudo programados durante paradas planificadas.

La lubricación, las comprobaciones del sistema de refrigeración y la calibración de los sistemas de control son esenciales para un funcionamiento confiable.

Desafíos operativos

Los problemas más comunes incluyen agrietamiento de la superficie, segregación interna, atrapamiento de inclusiones y incrustaciones de moho.

La resolución de problemas implica analizar datos del proceso, inspeccionar componentes físicos y ajustar parámetros como las velocidades de enfriamiento o la composición del flujo del molde.

Los procedimientos de emergencia incluyen detener la fundición, evacuar el acero fundido e inspeccionar el equipo para detectar daños después de fallas críticas, como rotura del molde o fugas de agua.

El mantenimiento proactivo y la monitorización continua del proceso son vitales para minimizar el tiempo de inactividad y garantizar la seguridad.

---

Calidad y defectos del producto

Características de calidad

Los parámetros clave incluyen la precisión dimensional, el acabado de la superficie, la limpieza interna, la microestructura y las propiedades mecánicas.

Los métodos de prueba incluyen inspección ultrasónica, pruebas de partículas magnéticas, metalografía y pruebas de tracción.

Los sistemas de clasificación de calidad, como las normas ASTM o EN, especifican tamaños de defectos aceptables, características microestructurales y umbrales mecánicos.

Defectos comunes

Los defectos típicos incluyen grietas superficiales, segregación, inclusiones, porosidad y segregación interna.

Los mecanismos de formación de defectos implican velocidades de enfriamiento inadecuadas, contaminación o irregularidades en la superficie del molde.

Las estrategias de prevención se centran en controlar los parámetros del proceso, mantener el equipo y garantizar la limpieza del material.

La remediación puede implicar reprocesamiento, tratamiento térmico o eliminación de defectos durante operaciones posteriores.

Mejora continua

La optimización de procesos emplea el control estadístico de procesos (CEP) para monitorear las tasas de defectos y la estabilidad del proceso.

El análisis de causa raíz y las metodologías Six Sigma ayudan a identificar y eliminar fuentes de variabilidad.

Los estudios de caso demuestran mejoras en la calidad de la superficie a través de modificaciones en el diseño del molde, un mejor control del enfriamiento y ajustes de la química de la escoria.

La investigación en curso tiene como objetivo desarrollar técnicas de fundición resistentes a defectos y herramientas de monitoreo avanzadas.

---

Consideraciones sobre energía y recursos

Requisitos de energía

Las operaciones de fundición consumen una cantidad significativa de energía, principalmente a través del enfriamiento por agua, la calefacción auxiliar y los sistemas eléctricos.

Las tasas típicas de consumo de energía son de aproximadamente 0,5 a 1,0 GJ por tonelada de acero fundido, dependiendo de la eficiencia del equipo.

Las medidas de eficiencia energética incluyen la optimización del uso del agua de refrigeración, la recuperación del calor residual y la actualización de unidades y bombas energéticamente eficientes.

Las tecnologías emergentes implican el uso de agitación electromagnética y sistemas de enfriamiento avanzados para reducir el consumo de energía y mejorar la calidad.

Consumo de recursos

Los materiales de entrada incluyen acero fundido de alta calidad, elementos de aleación, fundentes y refractarios.

El agua se utiliza ampliamente para refrigeración; su reciclaje y tratamiento reducen el consumo y el impacto ambiental.

Las estrategias de eficiencia de recursos abarcan el reciclaje de escoria, la reutilización de refractarios y el tratamiento del agua de proceso.

La minimización de residuos implica capturar y reutilizar escoria y polvo, reducir las emisiones e implementar sistemas de agua de circuito cerrado.

Impacto ambiental

Las emisiones incluyen CO₂ proveniente del uso de energía, partículas de polvo y contaminantes gaseosos como SOx y NOx.

Los residuos sólidos comprenden escoria, polvo y restos refractarios, que pueden procesarse para su reutilización o eliminación.

Las tecnologías de control ambiental incluyen colectores de polvo, depuradores e instalaciones de tratamiento de escoria.

El cumplimiento normativo implica monitorear las emisiones, informar los niveles de contaminantes y adherirse a los estándares ambientales establecidos por las autoridades locales.

---

Aspectos económicos

Inversión de capital

Los costos de capital iniciales para los equipos de colada continua varían entre $50 millones y más de $200 millones, dependiendo de la capacidad y el nivel de automatización.

Los factores que influyen en los costos incluyen el tamaño de la planta, las características de automatización y los precios regionales de la mano de obra y los materiales.

La evaluación de inversiones emplea técnicas como el valor actual neto (VAN), la tasa interna de retorno (TIR) ​​y el análisis del período de recuperación.

Costos de operación

Los gastos principales abarcan electricidad, refractarios y consumibles, mano de obra, mantenimiento y materiales auxiliares.

La optimización de costos implica la automatización de procesos, medidas de ahorro de energía y negociaciones con proveedores de consumibles.

La evaluación comparativa con los estándares de la industria ayuda a identificar áreas de reducción de costos y ganancias de eficiencia.

Las compensaciones incluyen equilibrar un mayor gasto de capital para la automatización avanzada con ahorros operativos a largo plazo.

Consideraciones del mercado

La calidad y la consistencia de los tochos y palanquillas influyen en la competitividad del producto en los mercados posteriores.

Los requisitos del mercado impulsan mejoras en los procesos, como tolerancias dimensionales más estrictas y tasas de defectos más bajas.

Los ciclos económicos afectan las decisiones de inversión: las recesiones provocan retrasos en las actualizaciones, mientras que los auges incentivan la expansión de la capacidad.

Adaptarse a las demandas del mercado implica líneas de producción flexibles e innovación continua de procesos.

---

Desarrollo histórico y tendencias futuras

Historia de la evolución

El paso de la fundición de lingotes a la fundición continua marcó un avance tecnológico significativo en la década de 1950, aumentando drásticamente la productividad y la calidad.

Los avances incluyen el desarrollo de diseños de moldes curvos, agitación electromagnética y técnicas de enfriamiento rápido, que mejoraron el control microestructural.

Las fuerzas del mercado, como la demanda de mayor calidad y secciones transversales más grandes, han impulsado innovaciones en la velocidad de fundición y la automatización.

Estado actual de la tecnología

Hoy en día, la colada continua de tochos y palanquillas es un proceso maduro, altamente automatizado, con un alto rendimiento y una calidad constante.

Existen variaciones regionales, con plantas avanzadas en América del Norte, Europa y Asia que emplean los últimos sistemas de automatización y control.

Las operaciones de referencia alcanzan velocidades de fundición superiores a 2 m/min, con índices de defectos inferiores al 2%.

Desarrollos emergentes

Las innovaciones futuras se centran en la digitalización, la integración de la Industria 4.0 y los sensores inteligentes para la optimización de procesos en tiempo real.

La investigación explora la fundición electromagnética, los materiales refractarios avanzados y los sistemas de enfriamiento energéticamente eficientes.

Los posibles avances incluyen el control de procesos impulsado por IA, la integración de fabricación aditiva y prácticas de fundición ambientalmente sustentables.

---

Aspectos de salud, seguridad y medio ambiente

Peligros de seguridad

Los principales riesgos de seguridad incluyen acero fundido a alta temperatura, superficies calientes, piezas mecánicas móviles y sistemas presurizados.

Las medidas de prevención de accidentes incluyen protocolos de seguridad integrales, barreras protectoras, sistemas de apagado de emergencia y capacitación del personal.

Los procedimientos de respuesta a emergencias incluyen planes de evacuación, sistemas de extinción de incendios y medidas de contención de derrames.

Consideraciones de salud ocupacional

Los trabajadores se enfrentan a la exposición al calor, al ruido, al polvo y a los vapores químicos, que pueden provocar quemaduras, problemas respiratorios o efectos a largo plazo en la salud.

El monitoreo implica muestreo de la calidad del aire, equipo de protección personal (EPP) y programas de vigilancia de la salud.

El EPP incluye ropa resistente al calor, respiradores, guantes y protección para los ojos, con un estricto cumplimiento.

La vigilancia de la salud a largo plazo permite detectar posibles enfermedades profesionales y garantizar su detección e intervención tempranas.

Cumplimiento ambiental

Las regulaciones establecen límites de emisiones, gestión de residuos e informes ambientales.

El monitoreo implica la medición continua de emisiones, pruebas de la calidad del agua y seguimiento de desechos.

Las mejores prácticas incluyen la implementación de dispositivos de control de la contaminación, el reciclaje de flujos de desechos y la minimización del consumo de recursos.

Los sistemas de gestión ambiental tienen como objetivo operaciones sostenibles, reduciendo la huella ecológica y garantizando el cumplimiento de las normas locales e internacionales.

---

Esta entrada completa proporciona una comprensión en profundidad de Bloom/Billet en la industria del acero, cubriendo aspectos técnicos, metalúrgicos, operativos, económicos y ambientales para apoyar a los profesionales e investigadores de la industria.