TUBERÍA DE FUNDICIÓN DÚCTIL

Material y Fabricación

Departamento Técnico de Saint-Gobain PAM España

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Tubería de Fundición Dúctil, Material y Fabricación

1 El material: la fundición dúctil .................................................................................. 3

1.1 Introducción ....................................................................................................... 3

1.2 Las fundiciones: definiciones ............................................................................. 4

1.2.1 Un material multi-fase ................................................................................ 4

1.2.2 Estado del carbono en los diferentes tipos de fundición. .......................... 5

1.2.3 Propiedades y microestructura de la matriz .............................................. 8

1.3 Influencia del grafito, de la matriz metálica y de la composición química en las propiedades de la fundición ....................................................................................... 11

1.3.1 Influencia de la forma del grafito ............................................................. 11

1.3.2 Influencia de la matriz metálica ............................................................... 15

1.3.3 Influencia de la composición química ...................................................... 16

2 Proceso de Fabricación de Tubos de Fundición Dúctil………………………...18

2.1 Introducción.......................................................................................................... 18

2.2 Elaboración del metal líquido ............................................................................... 19

a) Fusión en horno alto o en horno de cubilote............................................... 19

b) Desulfuración ............................................................................................... 20

c) Ajuste de la composición y de la temperatura ............................................ 21

a) Tratamiento al magnesio ............................................................................. 21

2.3 Procesos de fundición y tratamientos térmicos ................................................... 22

2.3.1 Generalidades ................................................................................................ 22

2.3.2 Máquinas de centrifugar y coquillas ............................................................. 23

2.3.3 El proceso de centrifugación ......................................................................... 24

2.3.4 Colada por gravedad...................................................................................... 26

2.3.5 Tratamientos térmicos .................................................................................. 27

2.4 La cadena de acabado .......................................................................................... 28

2.4.1 Revestimientos interiores.............................................................................. 28

2.5 Sistema de control del proceso ............................................................................ 29

3 Bibliografía……………………………………………………………………………………..………………32

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1 El material: la fundición dúctil

1.1 Introducción

Dado que la fundición es un material muy presente en nuestras vidas y que puede comprender, por sí sólo, todas las piezas que componen una canalización completa (tuberías accesorios, valvulería, piezas de montaje e intervención, registros rejillas, ...), se ha considerado de interés incluir una nociones básicas sobre el estudio de este material.

Aunque la "ciencia de los materiales" es una disciplina científica y técnica bastante reciente, una de sus primeras y principales preocupaciones ha sido mejorar las propiedades de los materiales (particularmente la resistencia mecánica) ya que éstas han sido siempre un factor limitativo para las realizaciones técnicas: la piedra y la madera fueron en un principio utilizadas tal cual, seleccionando simplemente las mejores calidades; aparecieron a continuación los metales obtenidos por fusión (latón, bronce, hierro); más recientemente, los progresos técnicos y las considerables mejoras resultantes de la observación y del análisis han contribuido a la comprensión de por qué algunos materiales son débiles y como pueden convertirse en más resistentes a través de una modificación de su composición y de su microestructura.

La evolución de las propiedades de las fundiciones a lo largo del siglo XX es un brillante ejemplo de las realizaciones de la metalurgia moderna; la resistencia a la tracción es en general la característica sobre la que se fija toda la atención, pero el alargamiento, la rigidez, la tenacidad y la dureza son igualmente propiedades que hay que tomar en consideración.

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1.2 Las fundiciones: definiciones

1.2.1 Un material multi-fase

Se puede realizar una primera aproximación al concepto de fundición estableciendo una clasificación en función del contenido de carbono en el metal de base. De esta forma se distinguen:

- Hierros: 0 a 0,1 % de carbono. - Aceros: 0,1 a 1,7 % de carbono. - Fundiciones: 1,7 a 5 % de carbono.

Una definición general del término fundición podría ser la siguiente: "aleación de hierro y carbono que contiene habitualmente otros elementos (generalmente silicio), siendo tal el contenido de carbono que permita la formación de un eutéctico en el momento de la solidificación”.

La formación de un eutéctico, en este caso, se puede definir como una transformación en la que las dos fases sólidas se forman simultáneamente a temperatura constante. Es interesante señalar que la temperatura eutéctica es la más baja a la que puede subsistir el metal líquido.

Los límites del contenido de carbono son aproximados: en la práctica la mayor parte de los aceros contienen entre 0,2 y 1 % de carbono y la mayoría de las fundiciones entre 2 y 4%.

En las aleaciones hierro-carbono que contienen menos de 1,7 % de carbono, el proceso de solidificación genera austenita, material monofase en el que todo el carbono está en solución sólida en la estructura. Cuando el carbono está presente en más de 1,7 % no se puede disolver en su totalidad en la estructura de hierro y se solidifica bajo la forma de una segunda fase, bien de grafito (carbono puro) o bien de carburo de hierro (cementita Fe3C).

Una particularidad de la metalurgia de las fundiciones es que el proceso de solidificación puede hacerse bajo la forma austenita-grafito (también denominada gris o estable), bajo la forma austenita-cementita (también denominada blanca o metaestable), o simultáneamente bajo las dos formas. El análisis de la microestructura de las fundiciones es por ello bastante más complicado que el de los aceros. Un contenido elevado en silicio favorece la forma estable de solidificación.

Los demás elementos mencionados en la definición precedente están presentes en la fundición en proporciones muy pequeñas, en un porcentaje de décimas, pero tienen una influencia proporcionalmente bastante más fuerte sobre la estructura y sobre las

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propiedades mecánicas y de fundición del metal; por esta razón las fundiciones no se definen ni se normalizan según su composición química sino de acuerdo con sus propiedades mecánicas (resistencia a la tracción, alargamiento, dureza) y según los tipos (que dependen de la presencia y de la forma del grafito). Entre esos "otros elementos", el silicio juega un papel particular ya que está siempre presente en una cantidad significativa, normalmente del orden de 1 a 3 %.

1.2.2 Estado del carbono en los diferentes tipos de fundición.

El término "fundiciones" abarca una variedad tan extensa de aleaciones hierro-carbono-silicio que es usual dividirlas en familias o tipos según el estado del grafito, con una diferenciación suplementaria debida a la microestructura de la matriz de hierro.

a) Fundiciones blancas

Todo el carbono presente está combinado con el hierro bajo la forma de carburo de hierro (cementita) que es muy duro y frágil y que confiere a las fundiciones blancas sus características principales (excelente resistencia a la abrasión, buena resistencia a la comprensión, comportamiento frágil). La ausencia de grafito y la presencia de cementita originan superficies de fracturas blancas, de ahí el nombre de fundiciones blancas.

b) Fundiciones maleables

Fundidas al principio como las fundiciones blancas, son a continuación recocidas para descomponer la cementita; el carbono libre, bien precipita en la matriz sólida en forma de grafito nodular, o bien desaparece de la estructura.

c) Fundiciones grises

Contrariamente a lo que ocurre con las fundiciones blancas, el carbono de las fundiciones grises no está más que parcialmente combinado; la mayor parte cristaliza en forma de grafito laminar durante el proceso de solidificación si la composición del metal líquido es apropiada y la velocidad de enfriamiento es lenta o moderada. Las fundiciones grises deben su nombre al hecho de que las láminas de grafito son planos de escasa resistencia que se rompen longitudinalmente dejando a la vista una gran cantidad de grafito de color oscuro en la superficie de la fractura. El grafito laminar confiere a las fundiciones grises sus características específicas: buena aptitud para el mecanizado, buen comportamiento al rozamiento (efecto lubricante del grafito) y una notable capacidad para amortiguar las vibraciones (debida a la absorción de energía de los planos de grafito). Las fundiciones grises son igualmente conocidas por su excelente aptitud para el

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moldeado. La composición química, el procedimiento de colada y la velocidad de enfriamiento influyen sobre el número y el tamaño de las láminas de grafito y sobre la microestructura de la matriz; estos factores pueden originar una amplia gama de combinaciones de las propiedades mecánicas.

Fig. 1. Microestructura de una fundición gris de matriz ferrítica colada en molde de arena.

Fig. 2. Microestructura de una fundición gris de matriz ferrítica centrifugada en molde metálico.

d) Fundiciones dúctiles o de grafito esferoidal (fundiciones GS)

Como en la fundición gris, una parte importante del carbono no está combinada pero cristaliza en forma de grafito; la diferencia principal surge del "tratamiento al magnesio" del metal fundido, que provoca la forma esferoidal de las partículas de grafito. Las fundiciones dúctiles pueden ser producidas a partir de composiciones bien definidas que tengan contenidos de carbono y de silicio un tanto elevado y

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cantidades limitadas de algunos elementos conocidos por impedir la formación de esferas de grafito. El rápido desarrollo de las fundiciones dúctiles se debe a un conjunto incomparable de propiedades, tales como una gran resistencia a la tracción y un alto módulo de elasticidad, una gran capacidad de deformación plástica (que tiene como consecuencia una resistencia a la rotura elevada y una gran tenacidad), una buena capacidad de amortiguamiento de las vibraciones, una buena mecanizabilidad, ... Todas estas características pueden abarcar una amplia gama de valores según la microestructura de la matriz alrededor de las esferas de grafito.

Debido a su elevado alargamiento de rotura, las fundiciones de grafito esferoidal son igualmente llamadas "fundiciones dúctiles", término simple y muy ampliamente admitido: no obstante, algunas son más dúctiles que otras, y otros tipos de fundición pueden igualmente comportarse de manera dúctil (por ejemplo, las fundiciones maleables). Por esta razón los metalúrgicos prefieren la denominación de fundiciones de grafito esferoidal (o fundición GS).

Fig. 3. Microestructura de una fundición de grafito esferoidal y matriz ferrítica.

e) Fundiciones de grafito vermicular

Las partículas de grafito presentan una forma intermedia entre las láminas y las esferas y pueden ser descritas como láminas cortas, encorvadas, con ángulos redondeados, las propiedades mecánicas que de ello se derivan se sitúan aproximadamente a medio camino entre las de las fundiciones grises y las de las de grafito esferoidal.

f) Fundiciones fuertemente aleadas

En esta última familia se clasifican un cierto número de fundiciones puestas a punto y producidas para usos especiales, allí donde se exigen características específicas, tales como resistencia a un entorno corrosivo, a temperaturas elevadas o a una abrasión severa. Todas contienen un total de un 3 a un 30 % de elementos de aleación tales como cromo, níquel, cobre, aluminio, molibdeno,...

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1.2.3 Propiedades y microestructura de la matriz

Como ya se ha dicho, las fundiciones son materiales multi-fase con partículas de grafito de forma y tamaño diferentes, insertadas en una matriz metálica. Según la composición química del metal líquido, la velocidad de enfriamiento y los tratamientos térmicos posteriores, la matriz metálica puede contener constituyentes diferentes: ferrita, perlita y carburos en las fundiciones no aleadas; bainita, austenita, martensita y carburos, en las fundiciones aleadas. Pueden igualmente estar presentes constituyentes secundarios en forma de inclusiones.

a) Ferrita

Es una solución sólida de carbono en hierro con un contenido en carbono muy bajo y una cantidad significativa de silicio; pueden estar presentes otros elementos tales como el manganeso, el níquel, el cobre,... Sus principales propiedades son una menor dureza y una capacidad de alargamiento a la tracción elevada, que podemos encontrar en las fundiciones dúctiles ferríticas (usadas para la fabricación de tuberías).

b) Perlita

Este constituyente está formado de capas muy finas alternadas de ferrita y de cementita; su dureza Brinell puede llegar a 300 (a causa de la dureza de la cementita), pero es mecanizable (gracias a la ferrita que es blanda).

c) Bainita

Es un agregado acicular (en forma de agujas) de ferrita y de carburos, obtenido por templado de la austenita a temperatura ambiente, o por templado isotermo. Sus principales propiedades son una resistencia a la tracción elevada, un alargamiento correlativamente elevado y una gran dureza Brinell (hasta 350) que le confieren una excelente resistencia al rozamiento.

d) Austenita

Es una solución sólida de carbono en hierro; alrededor de los 800º C se transforma normalmente en ferrita y en grafito, pero la adición de una gran cantidad de níquel (13 a 36 %) en el metal fundido evita esta transformación estructural y estabiliza la austenita a temperatura ambiente. Se caracteriza por una buena resistencia a la corrosión debida a productos químicos variados, una buena resistencia al rozamiento y a la abrasión, así como un excelente comportamiento frente a una gama extensa de temperaturas.

e) Martensita

Es un constituyente muy duro obtenido por el templado de la austenita, en presencia de níquel que evita la formación de perlita; presenta una excelente resistencia al rozamiento y a la abrasión debido a su elevada dureza Brinell (> 400).

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f) Carburos

Muy duros e inmecanizables, se forman cuando se ocasionan velocidades de enfriamiento elevadas a lo largo del proceso de solidificación; el más usual es el carburo de hierro Fe3C (cementita), pero pueden aparecer otros carburos con elementos de aleación: carburo de cromo, carburo de manganeso,... La mayor parte de los carburos pueden descomponerse en ferrita y grafito mediante recocido.

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Fig. 4. Fabricación de tubería de fundición dúctil centrifugada en molde metálico

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1.3 Influencia del grafito, de la matriz metálica y de la composición química en las propiedades de la fundición

1.3.1 Influencia de la forma del grafito

En las aleaciones hierro-carbono, como las fundiciones grises y las fundiciones GS, los contenidos en carbono relativamente bajos (2 a 4 %) producen efectos considerables sobre todas las propiedades mecánicas; sobre este asunto se pueden avanzar, al menos dos explicaciones:

- el átomo de carbono es mucho más ligero que el átomo de hierro, alrededor de una quinta parte de la masa (12,01 g/mol frente a 55,85 g/mol); el porcentaje de carbono en volumen (o en número de átomos), que da una mejor medida de su influencia en la estructura puede por este hecho alcanzar el 20 % (4 % de la masa);

- el contenido en carbono de las fundiciones es suficientemente elevado como para formar otras fases distintas de la estructura metálica, principalmente grafito y carburos; no es en absoluto sorprendente que las propiedades de los materiales multifase se vean afectadas por las propiedades y la parte de volumen de cada fase; el grafito es más blando y bastante menos resistente que la matriz de hierro, y puede constituir hasta un 10 % del volumen total de la fundición; el carburo de hierro es mucho más duro y más quebradizo que la estructura metálica y su parte en volumen puede alcanzar un 20 % en las fundiciones blancas.

El grafito en las fundiciones grises

En las fundiciones grises, el grafito crece naturalmente en forma de láminas caracterizadas por una relación longitud/espesor alta y aristas afiladas; el término "relación longitud/espesor" se refiere aquí a lo que es visible en una micrografía en la que las láminas de grafito han sido cortadas por un plano (en realidad, las láminas tienen una estructura tridimensional).

En las fundiciones grises, las láminas de grafito se pueden definir por su forma, su tamaño y su distribución. Existe amplia normativa al respecto en la que se describen los tamaños, formas y distribuciones típicos del grafito.

Cuando la fundición gris es sometida a tensiones de tracción, no se puede alcanzar la resistencia intrínseca de la estructura metálica (ya sea ferrítica o perlítica) a causa de la

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presencia de láminas de grafito, algunas de las cuales están orientadas perpendicularmente a la dirección de la tracción:

- el grafito, cuya resistencia a la tracción es débil, y no siempre es lo bastante adherente a la matriz metálica, produce el efecto de reducir la sección resistente;

- además, las aristas afiladas de las láminas de grafito actúan como concentradores de tensiones, reduciendo más aún la capacidad de la fundición gris para soportar los esfuerzos de tracción.

La evolución del antiguo proceso de fabricación de los tubos de fundición gris, en el que, al principio, eran colados verticalmente en moldes de arena por procedimiento estático y, posteriormente, eran centrifugados en coquillas metálicas, ha permitido observar, con una composición química de fundición idéntica, una reducción significativa del tamaño de las láminas de grafito y, por tanto, una mejora de la resistencia a la tracción y del alargamiento. El grafito más fino proviene, a la vez, de las fuerzas de centrifugación y el enfriamiento rápido obtenido en los moldes metálicos.

El grafito en las fundiciones dúctiles

A pesar de le mejora de un 10 a un 20% de la resistencia a la tracción y del alargamiento aportada en los años 1930 por el proceso de centrifugación de los tubos, las propiedades de la fundición gris no igualaban en ningún campo a las de los aceros que tienen la misma estructura metálica; como se ha visto anteriormente, esto es debido a la presencia de láminas de grafito que inducen en sus extremos fuertes concentraciones de tensiones de tracción. Hay que destacar, sin embargo, que las fundiciones grises son considerablemente más resistentes a la comprensión que a la tracción (de 3 a 4 veces más) lo que hace que las tensiones tiendan a cerrar los inicios de rotura antes que a abrirlos.

En 1921, el metalurgista Sauveur apuntó que las fundiciones podrían llegar a ser más resistentes y más dúctiles si se conseguía hacer cristalizar el grafito en forma de esferas en vez de láminas. El motivo era la gran reducción que experimentaba la concentración de tensiones que se producía en los bordes afilados de las láminas de grafito al transformarse éstas en esferoides.

Posteriormente, fueron probados varios elementos, de manera empírica, hasta que un día una pequeña cantidad de magnesio añadida a la fundición liquida produjo las primeras esferas de grafito: la primera fundición dúctil presentaba una resistencia a la tracción de 780 MPa y un alargamiento notable, lo que superaba a la mayor parte de los aceros.

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Fig. 5. Muestra de fundición de grafito esferoidal ferrítica después de rotura dúctil por tracción vista en el microscopio electrónico

El magnesio en las fundiciones GS

Dado el más bajo coste del magnesio y su disponibilidad, en los años 1950 sólo fue desarrollado industrialmente el proceso al magnesio; desde entonces se ha hecho un trabajo considerable con el fin de:

- facilitar la introducción del magnesio evitando la reacción violenta que crea con la fundición líquida; se perfeccionaron varios métodos con éxito.

- controlar mejor el análisis químico del metal para eliminar virtualmente los elementos nocivos para la formación de nódulos de grafito (tales como el plomo, el azufre, el titanio, ...

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- mejorar las propiedades mecánicas de las fundiciones dúctiles disminuyendo el tamaño de los nódulos, aumentando su número por unidad de volumen de metal y mejorando su distribución en la matriz metálica.

Fig. 6. Tratamiento de magnesio en una fábrica de tubería de fundición dúctil

Como ocurre a menudo, es en el sector industrial donde el proceso de producción de las fundiciones dúctiles se ha desarrollado para alcanzar un nivel elevado de fiabilidad y de calidad y donde los productos de fundición dúctil han sido rápidamente reconocidos para numerosas aplicaciones sin que exista explicación totalmente satisfactoria sobre los mecanismos que generan las esferoides de grafito; han sido propuestas varias teorías científicas pero parece que no hay suficientes pruebas para destacar una de entre ellas.

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1.3.2 Influencia de la matriz metálica

La fase metálica ocupa entre un 80 y un 90 % del volumen de una fundición y le proporciona sus características mecánicas después de una cierta reducción que depende de la forma de las partículas de grafito. Como ya se ha dicho, hay varios constituyentes posibles para la fase metálica de las fundiciones y están en función de la composición química del metal líquido, de la velocidad de enfriamiento y de los tratamientos térmicos; estos constituyentes se pueden clasificar según sus propiedades a 20º C.

- por resistencia a la tracción creciente y alargamiento decreciente: ferrita, austenita, perlita, martensita, bainita

- por dureza creciente y tenacidad decreciente: austenita, ferrita, perlita, bainita, martensita.

La resistencia a la tracción, el límite de elasticidad y la dureza se duplican cuando la matriz pasa del estado totalmente ferrítico a casi totalmente perlítico, pero, al mismo tiempo, la tenacidad se divide por cuatro y el alargamiento por diez.

La tabla adjunta, muestra una representación más general de las relaciones entre las propiedades mecánicas de las fundiciones y la estructura de su matriz; las fundiciones blancas no están incluidas pues la presencia de grandes cantidades de carburo de hierro falsearía las comparaciones. Hay que señalar que:

- la gama de valores dados para cada propiedad abarca las variaciones normales que pueden esperarse de la forma del grafito y del análisis químico

- las estructuras de ferrita y de perlita se dan para las fundiciones no aleadas brutas de colada, mientras que la bainita, la austenita y la martensita exigen la presencia de algunos elementos de aleación y/o de tratamientos térmicos.

Es evidente que si se han podido obtener enormes beneficios en cuanto a las propiedades mecánicas trabajando sobre la forma del grafito (transformando las láminas en esferoides), es posible obtener aún beneficios del mismo calibre controlando mejor la microestructura de la fase metálica. Las fundiciones son, en efecto, metales modernos con potencial elevado de mejora en espera de ser explotado.

Las fundiciones grises y dúctiles actuales utilizadas en la industria están normalizadas según sus propiedades mecánicas.

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Tabla 1. Características mecánicas de las fundiciones grises y GS según su estructura metálica

Tipo de fundición

Tipo de matriz

Resistencia a la tracción

(MPa)

Limite de elasticidad

(MPa)

Alargamiento (%)

Dureza HB

Fundiciones grises

Ferrita 100-200 — — 90-170

Perlita 200-400 160-250 — 200-280

bainita 350-550 250-400 1-2 250-320

austenita 140-180 — 1-3 120-240

martensita 320-450 — 0-0.5 350-450

Fundiciones GS

ferrita 370-450 250-300 10-25 170-200

perlita 600-800 370-480 2-3 190-350

bainita 750-1200 550-950 1-6 250-350

austenita 370-490 210-310 3-40 130-240

martensita 1000-1300 750-1000 1-4 350-500

1.3.3 Influencia de la composición química

Además del hierro, del carbono y del silicio, están presentes en la fundición, en pequeñas cantidades, otros elementos; algunos no son perjudiciales, algunos otros se combinan entre ellos para formar inclusiones comunes (por ejemplo, el sulfuro de manganeso en las fundiciones grises), y otros, finalmente, son perjudiciales porque generan constituyentes débiles o quebradizos.

La mayor parte de estos elementos secundarios tienen, sin embargo, una cierta influencia sobre las propiedades mecánicas de las fundiciones ya que afectan a su microestructura: cantidad y tipo de grafito formado durante la solidificación, tipo de matriz metálica predominante después del enfriamiento natural, sensibilidad a los tratamientos térmicos. Las características de colada del metal, de gran importancia para el fundidor, están igualmente afectadas por la composición química; de ello se desprende que la composición tendrá que ser ajustada según el tamaño y espesor de

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las piezas coladas, según el tipo de moldes (moldes de arena o coquillas metálicas) y según el proceso de colada (colada estática, por centrifugación o por presión).

Los metalurgistas han clasificado los diferentes elementos en familias según su influencia sobre la microestructura de las fundiciones: elementos grafitizantes, generadores de carburos, ferritizantes, perlitizantes,...

La metalurgia de las fundiciones dúctiles conlleva un grado de complejidad suplementaria por el hecho de que hay que tener, igualmente en cuenta los elementos que favorecen la formación de esferas de grafito (tales como el magnesio y las tierras raras) llamados elementos esferoidizantes, y los que tienen un efecto contrario.

Otra dificultad proviene del hecho de que algunos elementos neutralizan la acción de los otros (los metalurgistas utilizan venenos y antídotos), mientras que otros amplían sus influencias cuando están presentes simultáneamente (por efecto sinérgico).

Finalmente, algunos elementos tienen acciones diferentes según la cantidad utilizada; el ejemplo más conocido es el del magnesio que puede ser un elemento de esferoidización cuando se encuentra en una proporción de 0,02 % a 0,06 % y un generador de carburos a más de 0,08 %.

Es, por ello evidente, que debe mantenerse una atención constante a lo largo de todo el proceso de elaboración del metal líquido: selección de los materiales de carga (mineral de hierro, coque, chatarra), métodos de fusión, pretratamientos (desulfuración y preinoculación), tratamiento del magnesio, inoculación y colada.

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2. Proceso de Fabricación de Tubos de Fundición

Dúctil

2.1 Introducción

Este texto tiene por objeto trasladar al lector una idea general sobre como son en la actualidad los procesos productivos de los prefabricados de fundición en general y, en particular, sobre las peculiaridades del sector de los tubos y accesorios de este material.

No se pretende profundizar en el funcionamiento de una fábrica moderna en excesivo detalle, de manera que no se va a incidir en aspectos tales como la seguridad y salud de los trabajadores o la gestión medioambiental y el tratamiento de los residuos, cuestiones éstas que, aunque tienen en la actualidad una gran importancia en el día a día de las industrias, nos distraerían en exceso del objeto de este texto. Sí se ha querido, por otra parte, introducir algunas nociones sobre el sistema de aseguramiento de la calidad sin el cual hoy en día no se puede concebir un proceso productivo de estas características.

Con todo, el proceso de fabricación de este tipo de piezas de fundición dúctil se puede dividir en tres etapas principales:

- la producción y el tratamiento del metal líquido (metalurgia) - la colada y el tratamiento térmico (fundición) - los controles finales, los revestimientos interior y exterior (acabado de los

productos)

Estas tres etapas están, por supuesto, estrechamente unidas entre sí, con un control del proceso e inspección continuos a lo largo de todo el ciclo de fabricación que aseguran una calidad constante y óptima de los productos acabados.

La figura adjunta muestra un diagrama simplificado de un proceso de producción de tubos de fundición dúctil. La producción de los accesorios sigue un esquema similar, aunque con algunas modificaciones.

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Fig. 7. Diagrama simplificado de un proceso de producción de tubos de fundición dúctil

2.2 Elaboración del metal líquido

El metal líquido de base puede obtenerse directamente por reducción del mineral de hierro en un horno alto o por la fusión de lingotes de fundición y de chatarras de acero en un cubilote o en un horno eléctrico: en todos los casos los materiales se seleccionan y controlan cuidadosamente para producir un metal de base de gran pureza, compatible con el tratamiento al magnesio y las operaciones que le siguen: la colada y el tratamiento térmico.

a) Fusión en horno alto o en horno de cubilote

De forma simplificada, un horno alto o un horno de cubilote se pueden describir como un cilindro vertical por cuya parte superior se carga el mineral de hierro, el coque y los fundentes, y por cuya base se extraen la fundición y las escorias, ambas líquidas. La combustión del coque se mantiene por inyección de aire caliente en la base de la carga de los materiales sólidos.

Las reacciones que se producen en un horno alto pueden simplificarse, para mayor claridad de la explicación, como sigue:

- los gases calientes siguen un camino ascendente, calentando progresivamente los materiales sólidos, que siguen un camino descendente

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- la combustión del coque en el aire caliente produce dióxido de carbono y calor; ascendiendo, el dióxido de carbono se transforma en monóxido que es capaz de reducir los óxidos de hierro (producidos por el mineral) en hierro

- durante su descenso la carga sólida sufre diferentes transformaciones: calentamiento, desecación, reducción (mineral), combustión (coque) y fusión;

- los fundentes son de una gran importancia para la formación y las propiedades de las escorias (que están compuestas por las cenizas del coque, los residuos del mineral y los fundentes); las escorias pueden ser ácidas o básicas, prefiriéndose estas últimas para la elaboración de fundición dúctil; los fundentes apropiados para conseguir escorias altamente básicas son la castina y el espato flúor

- en la base del horno, la escoria líquida flota sobre la fundición líquida (a causa de su densidad más baja), protegiéndola así contra una oxidación rápida

Los subproductos de los hornos altos son gases con un poder calorífico bajo o medio, y escorias que pueden utilizarse para la fabricación de cementos o de conglomerados para hormigón, etc.

Los controles de calidad de los materiales que constituyen la carga inciden especialmente sobre propiedades tales como la humedad, la granulometría, la porosidad, la resistencia mecánica y los contenidos de azufre y de fósforo que deben ser bajos.

b) Desulfuración

Los hornos anteriormente mencionados producen un metal de base que tiene un bajo contenido en azufre (habitualmente 0,080 o menos) gracias a la función purificadora de las escorias básicas; pero, como se ha visto, es deseable reducir más el nivel de azufre antes del tratamiento al magnesio.

La desulfuración puede realizarse añadiendo al metal líquido carbonato de sodio, carburo de calcio o cal; la eficacia del proceso se mejora ampliamente con el removido mecánico del baño, que asegura una mejor disolución. Se pueden obtener regularmente contenidos de azufre inferiores a 0,010 %.

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c) Ajuste de la composición y de la temperatura

Se utilizan hornos eléctricos para situar la temperatura del metal líquido en un valor preciso (generalmente alrededor de 1.420º C), de tal manera que la temperatura de colada (después del tratamiento al magnesio, desescoriado y transferencia del metal hacia los equipos de colada) pueda estar cercana a la temperatura óptima. En este estadio se pueden aportar correcciones en la composición, añadiendo chatarras limpias o ferro-aleaciones específicas.

Fig. 8. Control de la composición y de la temperatura del metal

a) Tratamiento al magnesio

Llamado también tratamiento de nodulización, la adición de magnesio al metal líquido es la base de la fabricación de las fundiciones dúctiles (ver capítulo 2). Como la temperatura de vaporización del magnesio puro (alrededor de 1.100º C) es más baja que la temperatura de tratamiento (aproximadamente 1.400º C), la reacción del magnesio puro con la fundición líquida es muy violenta y espectacular: los vapores de magnesio se liberan, en efecto, bruscamente en el baño.

Se han desarrollado numerosas técnicas con el fin de moderar esta la reacción hierro-magnesio. En la actualidad la más utilizada es el método de la campana-buzo que consiste en una especie de campana hecha de materiales refractarios en la que se coloca la aleación de magnesio; a continuación, se sumerge rápidamente la campana en el fondo de la cuchara que se recubre con una pesada tapa mientras tiene lugar la reacción con el magnesio. Esta técnica da resultados fiables y reproducibles y permite utilizar diferentes aleaciones.

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2.3 Procesos de fundición y tratamientos térmicos

2.3.1 Generalidades

Rellenar la cavidad de un molde, por gravedad, con metal líquido para producir piezas coladas es una técnica muy antigua y que todavía es utilizada en nuestros días después de haber sido adaptada a la normativa moderna. Además de la colada estática por gravedad, se han desarrollado la colada a presión (en la que el metal es forzado en un molde estático) y la colada por centrifugación, en la que el metal es colado y solidificado en una coquilla de rotación rápida, que permite así la fabricación de cilindros huecos sin machos; la centrifugación es muy utilizada para la producción de tuberías.

En la producción de piezas de precisión en fundición intervienen varios factores de manera constante:

- la temperatura de colada, que afecta a la fluidez del metal y al volumen de contracción del líquido entre la colada y la solidificación

- la fluidez del metal, que determina su capacidad para llenar moldes complejos y hacer piezas de paredes delgadas, depende igualmente del análisis químico del metal y del tipo de fundición (a la misma temperatura, las fundiciones grises son más fluidas que las fundiciones de grafito esferoidal)

- la limpieza del metal, que depende de la composición, del tratamiento al magnesio y de los equipos de colada (las cucharas-teteras, por ejemplo, evitan el riesgo de captar escorias y eliminan la operación de desescoriado)

- las características de contracción del metal durante el enfriamiento y la solidificación, que afectan no sólo a las dimensiones de las piezas coladas, sino también a su diseño (en cuanto a variaciones de espesor) así como a la forma de los moldes (canales de colada y de alimentación, mazarotas, ...)

- la dureza y la rigidez de los moldes, que influyen en la capacidad de resistir a los movimientos de contracción y de dilatación térmicas del metal y a evitar una deformación y un torcimiento excesivos.

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2.3.2 Máquinas de centrifugar y coquillas

Una instalación de centrifugación de tubos de fundición dúctil comprende tres partes características: la máquina en sí misma, capaz de hacer girar y refrigerar la coquilla, el sistema de alimentación de metal en un extremo y el mecanismo de extracción del tubo en el otro. Todos estos elementos se fijan en un bastidor resistente, rígido e inclinado, a lo largo del cual pueden moverse en translación (ver figura adjunta).

Fig. 9. Máquina de centrifugar y sus accesorios

La máquina de centrifugar es una gruesa camisa en la que gira una coquilla metálica. El espacio situado entre la coquilla y la camisa sirve para refrigerar la coquilla, bien proyectando agua sobre la coquilla en rotación, bien haciendo circular el agua a presión. En el extremo enchufe de la coquilla, hay un sistema de fijación del macho necesario para la obtención del perfil interior del enchufe. Se fijan, igualmente a la máquina, la bomba de agua de refrigeración, los motores de rotación y de traslación y los diferentes accesorios.

Las coquillas de centrifugación están hechas a partir de piezas forjadas de acero aleado o de tubos gruesos de acero centrifugado. En el caso de la fabricación de tubos de fundición dúctil, estas coquillas se pueden utilizar con su superficie interior desnuda (procedimiento de Lavaud) o revestida con una fina capa de silicio (procedimiento "Wet Spray"), o incluso revestida de una espesa capa de arena (procedimiento de molde de arena).

El sistema de alimentación de metal comprende una cuchara de colada, un canal de colada y diferentes piezas accesorias para la preparación y limpieza del canal de colada y para la inoculación del metal. Cuando se trata de colar tubos de gran diámetro, todo el sistema se puede animar con un movimiento de traslación para introducir el canal

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de colada en el interior de la coquilla en rotación; para los diámetros más pequeños, el sistema de alimentación de metal es, en general, fijo y la inserción del canal de colada en la coquilla se hace por traslación de la máquina de centrifugar.

Después de la colada y solidificación del tubo, el extractor penetra en el enchufe, rompe el macho, agarra el tubo y lo retira de la coquilla hacia unos soportes giratorios; los tubos de gran diámetro son mantenidos en rotación durante su extracción para evitar una deformación radial por influencia de su propio peso a alta temperatura.

Las continuas investigaciones y mejoras sobre el equipo de colada, el ciclo de colada, el régimen térmico de las coquillas, la rotación de las mismas, los ciclos de traslación, la automatización del sistema, la reducción de mantenimiento, etc. han dado como resultado las actuales máquinas de centrifugar que abarcan una gran gama de diámetros y longitudes con un nivel de calidad y uniformidad de los perfiles impensables hace tan solo algunos años.

2.3.3 El proceso de centrifugación

El proceso de centrifugación consiste en depositar una capa de metal líquido en una coquilla que gira a gran velocidad y solidificar el metal refrigerando continuamente la coquilla.

El metal se vierte caliente y fluido en una espiral que se transforma inmediatamente en una capa regular y continua de metal líquido, mantenida en forma cilíndrica por las fuerzas de inercia centrífugas creadas por la rotación de la coquilla. Simultáneamente se refrigera la coquilla por su exterior para absorber las calorías y bajar la temperatura del metal líquido hacia su temperatura de solidificación (aproximadamente 1.150º C).

En el curso de su enfriamiento, el metal líquido sufre una contracción térmica progresiva; cuando tiene lugar la solidificación, hay precipitación de grafito, lo que provoca un cierto inflamiento. El enfriamiento que sigue tiene como efecto una contracción térmica suplementaria del tubo sólido, que se despega de la coquilla y puede entonces extraerse. Las características de contracción de la fundición dúctil dependen de varios parámetros que deben controlarse para obtener una producción uniforme; son la temperatura de colada, la composición del metal, la fiabilidad de los procesos de tratamiento y de inoculación, la estructura de la matriz bruta de colada, etc. El proceso de recocido afecta igualmente a las dimensiones de los productos acabados. La necesidad de recocido depende del procedimiento y de los materiales y procesos de inoculación.

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Fig. 10. Cuchara de tratamiento de magnesio

En el procedimiento de Lavaud, el metal líquido se vierte en la coquilla de acero desnudo y sufre así un enfriamiento muy rápido debido al contacto directo con la coquilla refrigerada por agua; la velocidad de enfriamiento y el escaso espesor de las paredes dan como resultado tubos que contienen mucha cementita (dura y frágil), y tienen una estructura perlítica. Para eliminar la cementita y descomponer la perlita en grafito y ferrita, obteniendo así tubos con las propiedades mecánicas deseadas, es necesario un recocido.

En el procedimiento "Wet Spray", la superficie de la coquilla se recubre (antes de verter el metal) con una fina capa de polvo de silicio que actúa como material refractario, disminuyendo así la conductibilidad térmica intersuperficial metal-coquilla; en consecuencia, la coquilla está un poco protegida del choque térmico cuando el metal se vierte y la velocidad de enfriamiento de la pared del tubo es inferior a la del procedimiento Lavaud.

La cementita puede prácticamente ser eliminada de la estructura bruta de la colada combinando una velocidad de enfriamiento baja con una composición de metal adecuada; el tratamiento de recocido no tiene más que descomponer la perlita y dura, por tanto, mucho menos tiempo.

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Fig. 11. Extracción de un tubo de su molde

2.3.4 Colada por gravedad

La centrifugación ha sido específicamente concebida y puesta a punto para piezas cilíndricas huecas, como los tubos; todos los demás accesorios para canalizaciones (cuerpos de las válvulas, piezas especiales, accesorios, registros de inspección,...) se cuelan en moldes fijos. El principio de base consiste en producir un modelo de forma idéntica a la de la pieza que se va a colar; el modelo, que comprende una parte superior y una inferior, se sumerge entonces en arena que se endurece convirtiéndose en autoportante; el modelo puede sacarse abriendo las dos partes del molde, liberando una cavidad en la que se colocan los machos de arena si la pieza que se va a colar es hueca (como es, generalmente, el caso); el molde se cierra y se llena en la colada, el metal líquido llena el espacio limitado por la cavidad de arena y los machos.

Se pueden utilizar diversos procedimientos de moldeado según la dimensión de la pieza que se va a fabricar, las tolerancias requeridas, el número de piezas producidas anualmente, etc. A continuación se describen brevemente algunos de los procedimientos utilizados más a menudo:

- moldeado en arena verde: el molde se hace a partir de arena húmeda comprimida que contiene cierta cantidad de arcilla que sirve de aglomerante; la arena se aprieta por apisonado manual o por medio de un equipo automático de baja o de alta presión. El grado de humedad, el contenido de arcilla y la granulometría de la arena deben ser estrechamente controlados para obtener piezas sin defectos

- moldeado en arena estufada: la pared de la cavidad del molde de arena se endurece de diferentes formas, tales como la cocción del molde en estufa para

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quitar la humedad y activar algún aditivo, o la inyección de dióxido de carbono para endurecer el silicato de sodio mezclado con la arena, etc

- moldeado cáscara: el molde de cáscara se obtiene vertiendo una mezcla de arena y de resina termoendurecible en un modelo metálico caliente; la cáscara se sostiene a continuación con arena antes de la colada

- moldes permanentes de fundición o de acero: estos moldes metálicos mecanizados se utilizan prácticamente como las coquillas para los tubos, salvo que se llenan por gravedad

- procedimiento al vacío: las partes superior e inferior del molde se hacen de arena seca encerrada entre dos hojas de plástico impermeable y el bastidor de acero; la arena se endurece haciendo simplemente el vacío, lo que produce fuerzas de frotamiento muy altas entre los granos que son obligados a un estrecho contacto; no es necesario ningún aglomerante y la arena puede ser fácilmente retirada y reciclada por eliminación del vacío y enfriamiento

Hay que precisar que la fundición dúctil ejerce una fuerte presión contra la pared del molde (alrededor de dos veces más que la fundición gris) y que, por este hecho, una producción importante de piezas de gran calidad necesita la utilización de moldes resistentes y rígidos tales como los obtenidos por moldeado en arena verde a alta presión, en arena seca aglomerada químicamente, o por el procedimiento al vacío.

2.3.5 Tratamientos térmicos

Los accesorios de fundición dúctil pueden alcanzar las propiedades mecánicas requeridas con una matriz ferrítico-perlítica y la ausencia de cementita. La combinación de espesores de pared mayores, de velocidades de enfriamiento lentas en moldes de arena macizos y de una composición adecuada del metal permite obtener piezas que poseen las cualidades deseadas en su estado bruto de colada, sin necesidad de recocido.

En el caso de los tubos de fundición dúctil, la matriz debe ser ferrítica para obtener el elevado alargamiento a la rotura especificado: el tratamiento de recocido es, por tanto, imprescindible.

- los tubos fabricados según el proceso de Lavaud, necesitan un recocido en dos tiempos, que comporta una grafitización a 960º C y una ferritización entre 800º C y 700º C.

- los tubos fabricados según el proceso "Wet Spray" no contienen cementita y sufren un ciclo corto de ferritización: unos 10 minutos a 760º C.

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Fig. 12. Tubo de diámetro 2.000 mm recién centrifugado

2.4 La cadena de acabado

Esta es la etapa en la que, partiendo de un tubo o accesorio de fundición “desnuda” se procede a recubrirlo con los revestimientos correspondientes, se realizan la mayor parte de los controles y ensayos a los que va a verse sometido y se empaqueta para estar preparado para su expedición a obra.

2.4.1 Revestimientos interiores

El mortero de cemento es el revestimiento interior estándar (UNE EN 545) de la mayor parte de los tubos destinados al transporte del agua bruta, del agua tratada o de las aguas residuales. El revestimiento interior de mortero de cemento se aplica bien por el procedimiento de centrifugación, bien por el procedimiento de proyección con la ayuda de una turbina. Se emplea, en general, un cemento Portland o un cemento de horno alto para las canalizaciones de agua potable y un cemento aluminoso para las conducciones de saneamiento. Tras la aplicación del revestimiento interior hay que proceder a un fraguado del mismo en condiciones controladas de temperatura, humedad, etc. tanto si se trata de un fraguado natural como si se trata de un fraguado acelerado.

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2.4.2 Revestimientos exteriores

El revestimiento exterior estándar (UNE EN 545) de los tubos de fundición dúctil está basado en el cinc de alta pureza. Está compuesto por dos capas:

- una de cinc metálico puro fundido por arco eléctrico y depositado por proyección con la ayuda de una pistola

- la otra es una pintura bituminosa aplicada por proyección "airless" sobre la capa de cinc

Fig. 13. Secado del revestimiento exterior

2.5 Sistema de control del proceso

Para garantizar el nivel de calidad constante que, hoy en día, exige este mercado, es necesario implantar un sistema de control del proceso que asegure la ejecución sistemática de un Plan de Calidad que contiene diversos tipos de inspecciones y ensayos.

Dicho sistema normalmente comprende un sistema de autocontrol por el que el propio personal de fabricación es responsable de muchos de los controles efectuados a los productos, de manera que cada operario es responsable de la detección de un determinado tipo de defectos en una determinada parte de la pieza, y un sistema de

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supervisión del autocontrol que normalmente es llevado a cabo por un departamento de Calidad independiente de el de Producción.

Entre los controles que se efectúan, se pueden destacar los siguientes:

- inspección de la estructura del metal: se corta un pequeño anillo del extremo liso de un tubo y se obtiene una probeta a la que se somete a diversos ensayos mecánicos (resistencia a la tracción, alargamiento, dureza,...) y/o a ensayos metalogáficos

- inspección visual: se someten todos los tubos a un control visual para detectar los defectos eventuales de colada; los que presentan defectos inaceptables se rechazan. La parte exterior del extremo liso y el perfil interior del enchufe se controlan minuciosamente dada su influencia sobre la estanqueidad de la junta; el perfil del alojamiento del anillo de la junta se amola si es necesario para obtener una superficie lisa y regular

- control dimensional: se realizan numerosas inspecciones en cada tubo (extremo liso, enchufe y alojamiento del anillo de junta); sobre todo con plantillas del tipo pasa/no pasa. El espesor de pared se controla, igualmente, regularmente

- prueba hidrostática: para detectar las fugas, todos los tubos son sometidos a una prueba hidrostática a una presión superior a su presión máxima de servicio

- revestimientos: se controla regularmente tanto sus espesores como cantidades y aspecto

Fig. 14. Transporte al tratamiento térmico

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M.FERRICA

Chatarra

Arrabio

Lingote

retornos

M. NO FERRICAS

Coque

FeSi

Caliza

PREPARACIÓN DE

CARGAS

FUSIÓN

CUBILOTE

DESULFURACIÓN

Y AFINO

ALMACENAMIENTO

( HORNO DE CANAL )

TRATAMIENTO DE MAGNESIO

MOLDEO POR

CENTRIFUGACIÓN

TRATAMIENTO

TÉRMICO

ENSAYOS

METALOGRÁFICOS

Y MECÁNICOS

METALIZACIÓN

REBARBADO

ENSAYO DE

PRESIÓN

CONTROL VISUAL

Y DIMENSIONAL

CANTIDAD DE CINC

ASPECTO CINCADO

REVEST.

INTERIOR

(CEMENTADO)

REVEST.

INTERIOR

( PUR )

FRAGUADO

REVESTIMIENTO

EXTERIOR

CONTROL

ASPECTO FINAL

TEMPERATURA

ANÁLISIS QUÍMICO

ANALIZADOR TÉRMICO

CONTROL REGULACIÓN

ESPESOR, PESO, ASPECTO

Mg / Fe Si TR

MARCADO

TEMPERATURA

ANÁLISIS QUÍMICO

ANÁLISIS QUÍMIC0

TEMPERATURA

ANÁLISIS QUÍMICO

ASPECTO INTERIOR

CONTROL DIMENSIONAL

DOSIFICACIÓN MEZCLA

ASPETO / MARCADO

MACHOS

PESO

FLUIDEZ

RELACIÓN AR/, AG/C

ESPESOR MORTER0

ASPECTO MORTERO

MARCADO FECHA EN ESTIBA

PREPARACIÓN DE

MORTERO

ESPESOR/ASPECTO

PUR

ISOCIANATO

POLIOL

ARENA

Cemento

PREPARACIÓN

DEL PRODUCTO

EMPAQUETADO Y

OTROS ACBADOS

BARNIZ/P. EPOXYPREPARACIÓN BARNIZ

PINTURA EPXY ESPESOR CAPA BARNIZ

ASPECTO BARNIZADO

ASPECTO GENERAL DEL

TUBO

FLEJE / MADERA

INOCULANTESPREPARACIÓN

COQUILLAS

FABRICACIÓN

MACHOS

ARENA,

CATALIZADOR

AGLOMERANTES

HILO DE CINC

CINC ALUMINIO

Materias primas y auxiliares Procesos auxiliares Proceso principal Contrroles

*

**

*

**

***

***

Fig. 15. Algunos de los controles de un proceso de fabricación de tubería de fundición

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3. Bibliografía

Extraído del “AGUA Y HIERRO: Canalizaciones de fundición dúctil”