Método de optimización de la rugosidad de un cilindro de laminación mediante proyección térmica a alta velocidad.

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se refiere a un método especialmente concebido para crear y optimizar la rugosidad sobre los cilindros de trabajo recubiertos mediante la tecnología de proyección térmica a alta velocidad.

Estos cilindros de trabajo pueden usarse para la producción de chapa o bobinas en los trenes de laminación en frío o caliente.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En la planta de laminación en frío y caliente, la mejora de la vida en servicio, de los cilindros de trabajo, es uno de los principales caminos para reducir los costes de operación de los fabricantes de acero.

Para aumentar la vida en servicio de los cilindros de trabajo, en comparación con una solución tradicional como el cromado, es necesario aumentar la dureza del recubrimiento. Esto se puede hacer gracias al recubrimiento que incluye partículas de carburos dentro de una matriz metálica.

Estos recubrimientos se depositan sobre la superficie de los cilindros de trabajo mediante proyección térmica a alta velocidad. El tipo de partículas duras proyectadas y el espesor del recubrimiento afectan en gran medida a la vida útil del cilindro de trabajo en servicio.

Según los cilindros de trabajo estándar, debido a las limitaciones del proceso y para evitar defectos en la banda, la rugosidad de los cilindros debe ser uniforme a lo largo del cilindro y debe cumplir con los requisitos en términos de rugosidad media y desviación estándar.

Debido a que la tecnología de proyección térmica de alta velocidad no se ha desarrollado para gestionar la rugosidad, es un desafío gestionar de forma fiable tanto: • el espesor del recubrimiento para asegurar la vida en servicio de los cilindros de trabajo

• como la rugosidad objetivo.

En cuanto a la importancia de la rugosidad en la superficie del cilindro, cabe destacar lo siguiente:

• La rugosidad del cilindro afecta al coeficiente de fricción entre la banda y los cilindros durante la laminación. El coeficiente de fricción aumenta a medida que aumenta la rugosidad y a igual rugosidad el coeficiente de fricción aumenta al aumentar el número de picos [1]

• Si el coeficiente de fricción es demasiado bajo, puede aparecer un deslizamiento/patinazo de la banda sobre el cilindro y crear defectos o limitar la reducción de espesor en la laminación [2], Por el contrario, si el coeficiente de fricción es demasiado alto, aumenta la abrasión del cilindro sobre la banda y aumenta la contaminación de la banda con finos de hierro [1],

• Es el caso de las grietas en los bordes de la banda, que se ven normalmente en los trenes de reducción reversible. En ese caso, es bien sabido que las grietas en los bordes son sensibles al coeficiente de fricción: el defecto aumenta cuando aumenta la fricción [3],

• La rugosidad de la banda afecta las propiedades, la calidad y el rendimiento de la propia banda. Como en el caso de los trenes Skin-pass, para asegurar un buen comportamiento durante el estampado, la rugosidad de la banda debe ser lo suficientemente alta para evitar grietas en el material.

• La rugosidad de la banda se transfiere de la rugosidad del cilindro de trabajo. Cuanto mayor es la rugosidad de los cilindros, mayor es la rugosidad de la banda laminada. La fuerza de laminación y la tensión de la banda afectan a la forma en que se transfiere la rugosidad. Así, conociendo la rugosidad solicitada en la banda, se define la rugosidad de los cilindros de trabajo. • Según las condiciones del proceso de laminación y la rugosidad objetivo de la banda, los fabricantes de acero definen la rugosidad de los cilindros.

Esta patente presenta soluciones y metodología para obtener una rugosidad uniforme que responde a los requisitos del cliente.

En tal sentido se procede a introducir la nomenclatura utilizada en la presente invención.

Se define como Ra la desviación media aritmética del perfil de rugosidad. El cálculo se hace de acuerdo con la norma estándar ISO 4287 con un cut-off de 0.8 mm.

Se define como RPC el número de picos por unidad de longitud en centímetros. El cálculo se hace de acuerdo con la norma estándar ISO 4287 con una anchura de banda de 1 micrómetro.

En cuanto a los cilindros usados en el proceso de laminación en frío cabe destacar que los cilindros de trabajo usados en los trenes de laminación en frío presentan diferentes tipos de acabado superficial.

En la Tabla-1 se muestran los valores típicos de la textura de los cilindros de trabajo.

Tabla-1

En cuanto a la evolución de la Rugosidad durante la laminación, cabe destacar lo siguiente:

• Durante la campaña de laminación, la rugosidad de los cilindros de trabajo disminuye debido al desgaste producida por la fricción entre la banda y el cilindro. El uso de recubrimientos, como el cromado, retrasa este fenómeno. Ver Fig.2

• La disminución de la rugosidad, también, depende del tipo de textura usada en los cilindros. Ver Fig.3 • Como la rugosidad inicial de los cilindros es mal alta que la rugosidad del final de la campaña de laminación, los fabricantes de acero controlan regularmente la rugosidad de los cilindros para evitar que se desvíe del rango necesario para asegurar la calidad en la superficie de la banda. Los cilindros se cambian cuando la rugosidad es demasiado baja.

Por su parte, y en lo que se refiere a las tecnologías de texturado, cabe destacar lo siguiente:

Actualmente existen varias tecnologías de texturado para crear una rugosidad sobre la superficie de los cilindros de trabajo. i. Granallado (SBT):

Una granalla de acero o fundición, con una granulometría específica, es proyectada sobre la superficie del cilindro de trabajo. La energía cinética de las partículas es suficiente para producir una deformación plástica de la superficie. La rugosidad obtenida es función de la masa y tamaño de la granalla, de la velocidad de la granalla, de la dureza del material base del cilindro, del número de pasadas a lo largo del cilindro y de la velocidad de rotación del cilindro.

¡i. Texturado mediante descarga eléctrica (EDT):

El voltaje aplicado entre el cilindro (cátodo) y el electrodo de cobre (ánodo), separados por un medio dieléctrico, produce una descarga eléctrica capaz de crear cráteres en la superficie del cilindro. La rugosidad es función de la frecuencia, del voltaje aplicado entre los electrodos y del nivel de capacitancia en la electrónica. Esta tecnología es poco usada en la laminación en frío con alto índice de reducción ya que es muy sensible al desgaste del cilindro. Actualmente esta textura es la referencia para los trenes Skin-pass y Temper. iii. Texturado con Laser (LT):

Un rayo láser golpea la superficie del cilindro fundiendo el material y expulsando el material fuera del cráter creado mediante la asistencia de un gas (O2, CO2 o Ar). La textura final del cilindro se corresponde con una distribución uniforme de cráteres a lo largo de un paso helicoidal sobre la circunferencia del cilindro de trabajo. La distancia axial de los cráteres es controlada por la velocidad del movimiento longitudinal del cilindro. En la dirección tangencial, la distancia de los cráteres es determinada, tanto por la velocidad del cilindro como por la velocidad del obturador mecánico. La profundidad del cráter viene determinada por la potencia del láser. Esta tecnología no es muy comúnmente usada actualmente. iv. Texturado por haz de electrones (EBT):

Esta tecnología consiste en bombardear un haz de electrones sobre la superficie del cilindro. Durante un solo disparo, las lentes enfocan el rayo para precalentar el material del cilindro, luego bombardean la superficie con un primer disparo para crear un cráter y después calienta el borde que rodea el cráter. Este ciclo se puede realizar dos o tres veces en el mismo lugar para crear un cráter más profundo. Durante el ciclo de disparo, el haz se desvía para compensar el movimiento continuo de la superficie del cilindro (desplazamiento y rotación). Esta tecnología solo se usa, ocasionalmente, para los trenes Skin-Pass, pero no es muy comúnmente usada actualmente.

En la Fig.1 se describen estas diferentes tecnologías.

En cuanto a los recubrimientos mediante proyección térmica a alta velocidad, cabe destacar lo siguiente:

• Las técnicas de proyección térmica son procesos de recubrimiento en los que los materiales fundidos se proyectan sobre una superficie. Una mezcla de gases se quema en una cámara de combustión, calentando y acelerando un polvo para depositarlo sobre un sustrato. Si el gas comburente es oxígeno, la proyección térmica se llama HVOF. Si el comburente es aire, la proyección térmica se llama HVAF.

• Para aumentar la vida útil, se produce un cilindro de laminación con un revestimiento de aleaciones de carburo de tungsteno donde el revestimiento suele ser de una sola capa, con un espesor comprendido entre 0,003 mm y 0,020 mm, afectando al 100% de la superficie de trabajo. La aleación se selecciona preferiblemente de: WC-CoCr, WC-N¡Cr, WC-Co, WC-Ni o WC-CrC-N¡. Preferiblemente, la permeabilidad del revestimiento está en un rango entre 0% y 0,1%.

• La capa de recubrimiento tiene una dureza final, comprendida entre 1000 Hv y 1600 Hv.

• La patente WO2021148690 describe, en el caso de la tecnología HVAF, el uso de recubrimientos de carburo de tungsteno para cilindros de laminación en frío.

EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN

El método que la invención propone resuelve de forma plenamente satisfactoria la problemática anteriormente expuesta.

Para ello, y de forma más concreta, el método de la invención consiste en un método de recubrimiento de un cilindro mediante proyección térmica de un polvo por medio de una columna de proyección para formar una rugosidad isotrópica (Ra) en la superficie de dicho cilindro, en el que el cilindro gira a una velocidad (Vr) alrededor de su eje longitudinal y la columna de proyección se mueve en traslación a una velocidad (Vt), paralela al eje del cilindro para depositar el material de acuerdo con una figura helicoidal, de modo que en dicho método se establecen las siguientes fases operativas: a) establecer una granulometría (G) de polvo a proyectar, b) establecer una rugosidad objetivo (Ra) y un espesor objetivo (t) del recubrimiento, c) encontrar el flujo de alimentación correspondiente (Fr) del polvo en una tabla empírica que presente la rugosidad objetivo (Ra) en función del flujo de alimentación (Fr) y la granulometría (G) según la fórmula: donde q es la eficiencia del proceso que depende del tipo de equipo a utilizar y A (G) y B (G) son funciones de la granulometría del polvo (G), d) definir la velocidad de rotación (Vr) y la velocidad de traslación (Vt) a partir de una ecuación que relaciona el espesor de recubrimiento objetivo (t) como una función del flujo de alimentación definido (Fr), la velocidad de traslación (Vt) y la velocidad de rotación (Vr), de acuerdo con la fórmula: donde N son las revoluciones por minuto del cilindro y p es la densidad del polvo de proyección, mientras que la relación entre el ancho del cono de proyección (d) y el paso por vuelta (p) de la hélice es mayor que uno.

El método de proyección térmica podrá ser proyección HVOF o HVAF.

Por su parte, el polvo de proyección contendrá partículas duras de dimensiones inferiores a 1 pm y en el que la rugosidad final objetivo (Ra) depende de la granulometría media del polvo (G).

Paralelamente, el número de picos (RPc) de la superficie del recubrimiento no debe superar un valor relacionado con la rugosidad (Ra).

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Para complementar la descripción que seguidamente se va a realizar y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de figuras en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1.- Muestra un esquema de las diferentes tecnologías de texturado existentes en la actualidad, en donde:

(1) Texturado mediante granallado (SBT). Recubrimiento estocástico.

(2-2’) Texturado mediante descarga eléctrica (EDT). Recubrimiento estocástico.

(3) Texturado con Laser (LT). Recubrimiento determinístico. (4) Texturado por haz de electrones (EBT). Recubrimiento determinístico.

(5) Texturado mediante deposición de cromo (TST). Recubrimiento Nodular.

(6) Recubrimiento mediante proyección térmica HVAF. Recubrimiento estocástico.

La figura 2.- Muestra una gráfica relativa a la evolución de la rugosidad durante el proceso de laminación y como el uso de recubrimientos como el cromado retrasa el desgaste producido por la fricción entre la banda y el cilindro, en donde el eje de ordenadas representa la rugosidad de la superficie en mieras, y el eje de abscisas la longitud de banda en kilómetros, y en donde la curva inferior representa el comportamiento de un cilindro de acero forjado con 5% de cromo (cilindro sin recubrimiento), mientras que la curva superior representa el comportamiento de un cilindro con un recubrimiento electrolítico de cromo o de cromo plateado.

La figura 3.- Muestra una gráfica en la que se representa la disminución de la rugosidad en función de las toneladas laminadas de chapa de acero, dependiendo del tipo de textura utilizada en los cilindros, concretamente para cuatro texturas diferentes.

La figura 4.- Muestra una representación esquemática del procedimiento de la invención, en el que el cilindro (7) gira a una velocidad controlada alrededor de su eje longitudinal (8) y el cono de proyección se mueve en traslación, paralela al eje del cilindro para depositar el material de acuerdo con una figura helicoidal (10).

La figura 5.- Muestra una gráfica en la que se representa la evolución de la desviación media aritmética del perfil de rugosidad en función del número de picos por unidad de longitud en centímetros, en donde la curva superior corresponde a la relación máxima de picos y la curva inferior a la relación mínima de picos.

La figura 6.- Muestra una gráfica similar a la de la figura 5, pero correspondiente a una comparativa entre las curvas en un proceso sin tratamiento adicional y la curva correspondiente al tratamiento adicional para reducir los picos en las rugosidades inferiores a 2 mieras.

Las figuras 6.1 y 6.2.- Muestran un corte en perfil del recubrimiento para medir el número de picos y el relieve de los mismos realizado mediante una herramienta exprofeso para ello. El eje de ordenadas refleja el tamaño de los picos en mieras (considerándose como picos tanto las crestas como tos valles) mientras que el eje de abscisas representa la longitud en mieras del perfil. La figura 6.1 muestra el perfil sin tratamiento adicional y la figura 6.2 un caso extremo donde se han eliminado todas las crestas de los picos por encima de 0.25 mieras del espesor de recubrimiento perseguido para un caso concreto.

REALIZACIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

De acuerdo con el método de la invención, para la gestión de la rugosidad se ha previsto lo siguiente:

Para el Recubrimiento por Proyección Térmica el espesor (t) está estrechamente relacionado con el flujo de alimentación del polvo (Fr), así como con la velocidad tangencial de la pieza (Vr) y la velocidad transversal de la pistola (Vt) de acuerdo con la siguiente fórmula: Ecuación-1

Siendo: t= espesor del recubrimiento

N= revoluciones por minuto del cilindro

Eficiencia del proceso según el tipo de equipo de proyección

Fr= Flujo de alimentación de polvo

Vt= Velocidad transversal de la pistola p= Densidad del polvo

Vr= Velocidad tangencial del cilindro

Para asegurar la uniformidad de la rugosidad isotrópica y del espesor del recubrimiento, es necesario optimizar el solape del cono de proyección entre dos vueltas de rotación del cilindro. Para conseguir esto, la relación entre la anchura del cono de proyección (d) y la longitud del paso (p) entre dos vueltas de rotación, debe ser mayor de 1 (ver Fig.4).

La rugosidad depende del flujo de alimentación y granulometría del polvo de proyección, de acuerdo con la fórmula empírica simplificada descrita a continuación: Ecuación-2 Siendo: Eficiencia del proceso

Fr= Flujo de alimentación de polvo

A(G) y B(G) son funciones de la granulometría del polvo (G)

Es más conveniente el uso de la Tablas descritas a continuación:

Tabla-2: Ra (pm) como Función del Flujo de alimentación y Granulometría del polvo-proceso

HVAF.

Tabla-3: Ra (pm) como función del Flujo de alimentación y Granulometría del polvo-proceso

HVOF. Como aclaración, el polvo contiene partículas finas y duras (como WC) y un ligante (generalmente un metal más blando). Esto significa que la granulometría de polvo es mayor que los tamaños de partículas duras. Un grano de polvo puede contener más de una partícula dura.

En cuanto a las etapas para gestionar la rugosidad, estas son las siguientes: a) Definir la Granulometría del polvo. b) Conociendo la granulometría del polvo y la rugosidad objetivo, el flujo de alimentación de polvo se define según la Tabla-2 o Tabla-3. c) Conociendo el flujo de alimentación de polvo y el espesor objetivo, los valores de Vr y Vt se definen teniendo en cuenta la Ecuación-1 y respetando d/p >1.

La Tabla-4 describe la proyección térmica de acuerdo con nuestra invención comparada con la rugosidad estándar.

Tabia-4: Comparación entre la rugosidad por proyección térmica y la estocástica estándar.

En lo que respecta a la gestión de la granulometría del polvo y el tamaño de sus partículas duras: - Anteriormente se explicaron los pasos necesarios para gestionar la rugosidad para un tamaño fijo del polvo de proyección.

Para acceder a todos los niveles de rugosidad solicitados, el tamaño del polvo debe adaptarse, de acuerdo con la Tabla-5 para abordar diferentes rangos de rugosidad.

Tabía-5: Granulometría del polvo requerida

- Se sabe que el tamaño de las partículas duras puede afectar a la rugosidad final del recubrimiento por proyección de alta velocidad. Como, por ejemplo, la patente JP09300008 aconseja adaptar el tamaño de partícula dura entre 1 y 20 pm para que la rugosidad obtenida esté comprendida entre 0,3 y 3 pm. Por ejemplo, el tamaño de partículas duras entre 1 y 5 pm para obtener una rugosidad de alrededor de 0,3 pm.

- A medida que aumenta la vida útil de los cilindros, aumenta la duración de la campaña de laminación. Si el tamaño de las partículas duras es demasiado grande, la rugosidad del cilindro vuelve a aumentar a medida que transcurre la laminación y esto es debido ai "desgaste” del ligante metálico. Para evitar este fenómeno, el tamaño de las partículas duras debe ser inferior a 1 pm.

Por su parte, y en lo que respecta a la gestión del número de picos de la rugosidad, cabe destacar lo siguiente:

- Para cilindros sin recubrir, o cilindros cromados, usados en trenes de laminación tándem o reversibles, como se mencionó anteriormente, los fabricantes de acero solían fijar la rugosidad para garantizar la calidad de la banda (sin contaminación, grietas en los bordes, etc.... ) pero no se realiza ninguna solicitud específica para el número de picos.

- El recubrimiento HVAF o HVOF que contiene partículas duras, aumenta considerablemente la vida en servicio de los cilindros. Esto significa un gran aumento de la duración de la campaña de laminación. Para la duración estándar de la campaña de laminación (cilindros no recubiertos o cilindros cromados), la gestión de la rugosidad es suficiente para evitar defectos en la banda laminada. En caso de recubrimientos con dureza superior a 1000 Hv, los ensayos señalaron que es importante limitar el nivel del número de picos además de la rugosidad. Según el [2]% del área plana afecta la fricción. Una forma de aumentar la superficie de contacto es disminuir el número de picos y/o redondear los picos.

- Para poder aumentar la vida en servicio de la campaña de laminación en 1 ,5 veces en comparación con los cilindros cromados o 2 veces en comparación con los cilindros no recubiertos sin ningún problema de calidad (grietas en los bordes, contaminación, etc....), el número máximo de picos (RPc) debe seguir la fórmula: Ecuación-3

- En el caso de los recubrimientos mediante proyección térmica a alta velocidad, el número de picos evoluciona con la rugosidad como se muestra en la Fig-5. Esta evolución es típica de la rugosidad creada mediante proyección térmica de alta velocidad y para granulometrías del polvo de proyección inferior a 50 pm.

- La Fig.6. Muestra que los recubrimientos de proyección térmica a alta velocidad cumplen la Ecuación-3. Para rugosidades superiores a 1 ,5-2 pm. Para una rugosidad más baja es necesario añadir una operación posterior de tratamiento de la superficie recubierta.

Este tratamiento superficial puede ser mecánico (granallado, pulido...), químico, electroquímico o térmico (láser... ). Mediante estos tratamientos se van erosionando los picos de la rugosidad. Al mismo tiempo, se reduce la rugosidad y el número de picos total (consulte la Fig. 6, Fig. 6.1 y Fig.6.2). La forma en que disminuyen los picos y la rugosidad depende del tipo de tratamiento final a realizar.

Paralelamente, para rugosidades superiores a 5 pm es preciso llevar a cabo un tratamiento previo del cilindro mediante granallado. Las referencias utilizadas en la presente solicitud son las siguientes:

[1] WORK ROLL ROUGHNESS TOPOGRAPHY AND STRIP CLEANLINESS DURING COLD ROLLING AUTOMOTIVE SHEET - Claude Gaspard, Daniel Cavalier, Stefan Wahlund - Technical contribution to the 11th International Rolling Conference, part of the ABM Week 2019, October 1 st-3rd, 2019, Sao Paulo, SP, Brazil.

RELATIONS BETWEEN FRICTION COEFFICIENT AND ROLL SURFACE

PROFILES, ROLLED SHEET CHARACTERISTICS IN COLD ROLLING OF

STEEL SHEETS - Hiroyasu YAMAMOTO, Mansaku SASAKI and Takahiro KITAMURA - Tetsu-to-Hagané Vol. 95 (2009) No. 5.

[3] THE RESEARCH ON EDGE CARCK OF COLD ROLLED THIN STRIP - Haibo Xie - 2011 - Thesis of university of Wollongong.

[4] TEXTURING METHODS FOR COLD MILL WORK ROLLS - Bilal QOLAK*, Fatih UDCS'19 Fourth International Iron and Steel Symposium, 4-6 April, Karabuk.

[5] EFFECT OF WORK ROLL TECHNOLOGY ON COLD MATERIALS ROLLING AND PROGRESS OF MANUFACTURING FUTURE DEVELOPMENTS IN JAPAN - Mitsuo HASHIMOTO, Taku TANAKA, Tsuyoshi INOUE, 1) Masayuki

YAMASHITA.2) Ryurou KURAHASHI3) and Ryozi TERAKADO4) - ISIJ International, Vol. 42 (2002), No. 9, pp. 982-989.

[6] Patent WO 2021148690.

Patent J P 09300008.