Factibilidad en la disminución del espesor de lámina empleada en

UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES
FACTIBILIDAD EN LA DISMINUCIÓN DEL ESPESOR DE LÁMINA
EMPLEADA EN LA FABRICACIÓN DE TAPA CORONA
Realizado por
Diego Luis Yagüe Ríos
PROYECTO DE GRADO
Presentado ante la ilustre Universidad Simón Bolívar
como requisito parcial para optar al título de
Ingeniería de Materiales opción Metalurgia
Sartenejas, Marzo de 2007
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES
ACTA FINAL DE PROYECTO DE GRADO
FACTIBILIDAD EN LA DISMINUCIÓN DEL ESPESOR DE LÁMINA
EMPLEADA EN LA FABRICACIÓN DE TAPA CORONA
Presentado por
Diego Luis Yagüe Ríos
Este proyecto ha sido examinado por el siguiente jurado:
___________________________________
Prof. Julio Millán
___________________________________
Prof. Adalberto Rosales M.
___________________________________
Prof.
Sartenejas, Marzo 2007
UNIVERSIDAD SIMÓN BOLÍVAR
DECANATO DE ESTUDIOS PROFESIONALES
COORDINACIÓN DE INGENIERÍA DE MATERIALES
FACTIBILIDAD EN LA DISMINUCIÓN DEL ESPESOR DE LÁMINA
EMPLEADA EN LA FABRICACIÓN DE TAPA CORONA
TUTOR INDUSTRIAL: Ing. Cruz Oliveros
TUTOR ACADÉMICO: Prof. Julio Millán
JURADO EVALUADOR: Prof. Adalberto Rosales M.
Sartenejas, Marzo 2007
FACTIBILIDAD EN LA DISMINUCIÓN DEL ESPESOR DE LÁMINA
EMPLEADA EN LA FABRICACIÓN DE TAPA CORONA
Realizado por:
Diego Luis Yagüe Ríos
Resumen
Con el objeto de reducir los costos asociados al proceso de elaboración de tapa corona empleadas
en bebidas carbonatadas fabricadas por Cervecería Polar, se realizó un estudio sobre las
posibilidades de sustituir las láminas de acero estañadas de espesor 0,22 mm utilizado
actualmente, por láminas del mismo material pero de espesor 0,21 mm. Para el acero de bajo
contenido de carbono en condiciones de entrega, se realizaron estudios de caracterización
mediante microscopía óptica y se evaluaron sus propiedades mecánicas a tracción. Por otra parte,
se evaluó el comportamiento de ambas presentaciones de la hojalata durante el proceso de
fabricación de la tapa corona, tomando en cuenta las etapas más críticas del proceso como lo son
el embutido, troquelado y la dosificación de policloruro de vinilo (PVC), las cuales inciden
directamente sobre la calidad del producto final.
Las tapas coronas obtenidas a partir de las láminas de acero de distintos espesores, fueron
ensayadas a nivel de laboratorio, simulando las condiciones reales a las cuales estarían sometidas
durante el transporte, almacenamiento y comercialización de las bebidas carbonatadas. Estos
ensayos de control de calidad consistieron en medir la capacidad de resistir la presión interna del
gas disuelto en la bebida y en medir las pérdidas en el volumen de CO2 bajo aplicación de carga
externa sobre el producto.
Según la caracterización realizada, ambas presentaciones de la hojalata estañada T4 E11 exhiben
idénticos rasgos microestructurales y propiedades mecánicas, lo que trae como consecuencia un
comportamiento similar tanto en el proceso de fabricación como en el desempeño de la tapa
corona. Por tales razones, es factible emplear láminas de acero con espesor 0,21 mm, lo que
representaría un ahorro de 765 Toneladas de acero al año equivalente al 4,3% del presupuesto
anual de materia prima de hojalata.
Palabras claves: Hojalata estañada, tapa corona, embutición.
DEDICATORIA
A mi amada mamá y querido papá, gracias por
guiarme, protegerme y ayudarme día a día a crecer
como persona e hijo, ya que ustedes les debo lo que
soy!
A ti Marielle, insuperable, preciosa, bella y
amorosa, por darme apoyo, consejos, paciencia y
por sobretodo, valor para seguir adelante. Que
nunca me vayas a faltar!
Gracias a Todos...
AGRADECIMIENTOS
A Cervecería Polar planta Metalgráfica, por darme la oportunidad de realizar este trabajo
en tan prestigiosa empresa, en especial al Ingeniero Cruz Oliveros, por su constante ayuda, aporte
de experiencia industrial y conocimientos profesionales, por sus consejos personales y
recomendaciones, los cuales fueron punto clave en la realización de éste trabajo de investigación.
A mis compañeros de trabajo, especialmente a Juan Ochoa, Ciro Zavala, Noslen Palacio,
Eiling Uribe, Douglas Gallardo y Larry Otaiza, gracias a ustedes muchachos por brindarme toda
su colaboración y apoyo, compartir el día a día de las horas de trabajo y enseñarme tantas cosas
que siempre tendré presentes y que jamás olvidare.
Al Prof. Julio Millán, tutor académico, guía y amigo. Por ser la persona que me indicó las
pautas, sugerencias y exigencias de este trabajo. Gracias por ayudarme a cumplir esta meta de
vida que tanto he anhelado. No fue fácil, pero con tesón, dedicación y la ayuda final recibida por
usted, todo fue posible.
A los seres más queridos y amados en mi vida, mi padre y mi madre, gracias a ustedes por
inculcarme los principios y valores que hoy y siempre me servirán de apoyo para trazar mis
metas y guiarme por un buen camino. Son maravillosos y los amare por siempre, Gracias…
A mi hermano por siempre estar conmigo en los estudios, ayudarme y darme su apoyo
incondicional, muy pronto en un futuro no muy lejano además de hermano seremos colegas, y
juntos nos brindaremos ayuda para salir adelante.
A mi novia Marielle, a ti bebe más que a nadie gracias porque fuiste quien desde que me
conociste me diste ánimo, fuerza y apoyo para que saliera adelante y nunca me rindiera, siempre
que tenía algún problema estás ahí presente, son infinitas las gracias que te puedo dar y quiera
que siempre estuvieses ahí para darme ese apoyo. Te amo bebe…
ÍNDICE GENERAL
DEDICATORIA........................................................................................................................iv
AGRADECIMIENTOS.............................................................................................................vi
ÍNDICE GENERAL ................................................................................................................viii
ÍNDICE DE FIGURAS ..............................................................................................................x
ÍNDICE DE TABLAS..............................................................................................................xii
I.
INTRODUCCIÓN..............................................................................................................1
1.1.
Empresa ......................................................................................................................1
1.2.
Planteamiento del Problema .......................................................................................4
II.
OBJETIVOS ......................................................................................................................5
2.1.
Objetivo General.........................................................................................................5
2.2.
Objetivos Específicos .................................................................................................5
III.
FUNDAMENTOS TEÓRICOS .......................................................................................6
3.1.
Tapa Corona ...............................................................................................................6
3.2.
Aceros de bajo carbono para embutición empleados en la elaboración de tapa
corona .........................................................................................................................7
3.3.
Breve descripción del proceso de fabricación láminas para embutición..................10
3.4.
Tratamiento térmico de recocido..............................................................................11
3.5.
Tipos de Hornos de Recocido...................................................................................12
3.6.
Laminador Temper ...................................................................................................13
3.7.
Electrodeposición .....................................................................................................14
3.8.
Proceso de Electrodeposición de Estaño ..................................................................15
3.9.
Teoría de Embutición ...............................................................................................16
3.10. Características de la hojalata estañada empleada para la elaboración de tapa corona .
..................................................................................................................................17
3.11. Descripción del proceso productivo de la tapa corona .............................................19
IV.
DESARROLLO EXPERIMENTAL.............................................................................23
4.1.
Selección del Material ..............................................................................................23
4.2.
Caracterización del material por medio de análisis metalográfico...........................23
4.3.
Análisis estereológico (Tamaño de grano) ...............................................................25
4.4.
Análisis de dureza superficial Rockwell ..................................................................26
viii
4.5.
Determinación de las propiedades mecánicas a tracción..........................................27
4.6.
Características del desempeño del material durante el proceso de fabricación de
Tapa Corona. ........................................................................................................................30
4.7.
Características del desempeño de la tapa corona para cada uno de los espesores
estudiados .............................................................................................................................33
4.8.
V.
Análisis de costo de la materia prima (Hojalata) 0,22mm Vs. 0,21mm...................37
RESULTADOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS..................................................40
5.1.
Caracterización de los materiales en relación a la composición química.................40
5.2.
Caracterización de los materiales por microscopía óptica........................................41
5.4.
Ensayo de Dureza Superficial...................................................................................44
5.5.
Ensayos de tracción uniaxial ....................................................................................45
5.6.
Comportamiento de los materiales durante el proceso de fabricación de tapa corona.
..................................................................................................................................48
5.7.
Características del desempeño de las tapas coronas en estudio................................54
5.8.
Impacto económico de materia prima (Hojalata) .....................................................58
VI.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ...........................................................61
6.1.
Conclusiones.............................................................................................................61
6.2.
Recomendaciones .....................................................................................................63
VII.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS .........................................................................64
VIII.
APÉNDICES ................................................................................................................67
IX.
ANEXOS ......................................................................................................................72
ix
ÍNDICE DE FIGURAS
Flujograma de cargos existentes en el Departamento de Aseguramiento
de la Calidad Tapas de Planta Metalgráfica ……………………………..
3
Figura 3.1
Tapa corona elaborada con hojalata estañada T-4 E11……………..........
6
Figura 3.2
Representación esquemática del proceso de producción de productos
laminados (Black Plate)………………………………………………….
10
Recocido Continuo. (a) Proceso de Recocido Continuo. (b)
Representación esquemática de la historia térmica del recocido
continuo………………………………......................................................
13
Figura 3.4
Vistas de laminador temper (Temper Mill)……………………………...
14
Figura 3.5
Esfuerzos mecánicos presentes durante la embutición…………………..
16
Figura 3.6
Esquema del proceso de elaboración de tapa corona…………………….
20
Figura 4.1
Preparación Metalográfica. (a) Identificación de los cortes realizados en
la hojalata para la metalografía. DN Dirección Normal, DL Dirección
Longitudinal y DT dirección transversal, (b) Probetas embutidas en
resina polimérica para las muestras con 0,22mm y 0,21mm de
espesor………………………....................................................................
24
Dureza Superficial Rockwell HR30T. (a) Identificación de los cortes
realizados en la hojalata para realizar ensayos de dureza, (b) Esquema
del equipo de dureza superficial Rockwell y la identificación de sus
partes………………….………………..........................................
27
Dimensiones estándar de la probeta plana para ensayos de tracción
uniaxial…………………………………………………………………...
28
Esquema del troquelado para la obtención de probetas de tracción a 0º,
45º y 90º respecto a la dirección de laminación de la hojalata…………..
28
Ensayo de tracción uniaxial. (a) Máquina de ensayos de tracción MTS
810. (b) Detalle de las mordazas del equipo y el extensómetro colocado
para medir el alargamiento de la probeta de tracción................................
29
Figura 4.6
Identificación de la ubicación del Nº de Formador……………………...
31
Figura 4.7
Control Dimensional de tapa corona. (a) Equipo de medición de altura y
diámetro externo. (b) Vistas de la Tapa Corona…………………………
31
Figura 1.1
Figura 3.3
Figura 4.2
Figura 4.3
Figura 4.4
Figura 4.5
x
Etapas del Proceso de embutido y de dosificación del compuesto
sellante. (a) Tapa corona conformada. (b) dosificación y (c) Conformado
del PVC……….……………................................................
32
Fases de la extracción de la empacadura. (a) Plancha de calentamiento a
90 ºC. (b) Palanca con el destornillador plano a la
empacadura……………………………………………………………....
33
Cierre de la Tapa Corona. (a) Instrumento para medir el cierre de la
Tapa Corona, identificado como Pasa No-Pasa, (b) Equipo de coronado
neumático…………………………………………………………….…...
34
Figura 4.11
Equipo de pasteurización e indicación de sus principales partes………...
35
Figura 4.12
Ensayo de Presión Interna. (a) Equipo de medición de probador de sello,
(b) Conector para suministro gas nitrógeno (N2)……………….....
35
Figura 4.13
Equipo de medición de retención de carbonatación……………………..
37
Figura 4.14
Sistema y montaje de las muestras de carbonatación con carga………...
37
Figura 5.1
Microestructura del acero estudiado de láminas de espesor 0,21mm T-4.
(a) Sección transversal, (b) sección longitudinal y (c) sección normal.
Microscopía óptica 500X………………………………………………...
42
Microestructura del acero estudiado de láminas de espesor 0,22mm T-4.
(a) Sección transversal, (b) sección longitudinal y (c) sección normal.
Microscopía óptica 500X………………………………………………...
43
Curvas esfuerzo – deformación de la hojalata estañada con espesor de
0,22mm en condiciones de entrega, para 0º, 45º y 90º respecto a la
dirección de laminación………………………………………………….
46
Curvas esfuerzo – deformación de la hojalata estañada con espesor de
0,21mm en condiciones de entrega, para 0º, 45º y 90º respecto a la
dirección de laminación………………………………………………….
47
Altura de tapa corona para diferentes espesores de lámina según el
número de formador……………………………………………………..
49
Diámetro externo de la tapa corona para diferentes espesores de lámina
según el número de formador……………………………………………
50
Efecto que se genera en la tapa corona cuando se somete a una carga
prolongada……………………………………………………………….
58
Gráfica representativa del consumo y ahorro anual en Billones de Bs.
para los espesores evaluados…………………………………………….
60
Figura 4.8
Figura 4.9
Figura 4.10
Figura 5.2
Figura 5.3
Figura 5.4
Figura 5.5
Figura 5.6
Figura 5.7
Figura 5.8
xi
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 3.1
Composición química máxima del acero según su tipo………………….
9
Tabla 3.2
Dureza de la hojalata recocida en hornos continuos……………………..
17
Tabla 3.3
Composición química de aceros SIDOR recubiertos con estaño o cromo
según temple y espesor…………………………………………………..
18
Tabla 3.4
Peso de recubrimiento de hoja estañada electrolíticamente………..……
19
Tabla 4.1
Composición química promedio de la hojalata empleada para la
elaboración de tapa corona………………………………………………
23
Distribución de los ensayos de carbonatación y tiempo en reposo para
ser ensayadas……………………………………………………………..
36
Características estereológicas del tamaño de grano del acero espesores
0,22mm y 0,21mm……………………………………………..………...
44
Valores de dureza superficial Rockwell 30T de la hojalata estañada T-4
en condiciones de entrega espesores 0,21mm y 0,22mm………………..
45
Propiedades mecánicas para hojalata estañada espesor 0,22 mm en
condiciones de entrega…………………………………………………...
47
Propiedades mecánicas para hojalata estañada espesor 0,21 mm en
condiciones de entrega…………………………………………………...
48
Valores de dureza superficial Rockwell 30T de tapa corona conformada
de espesor 0,21mm y 0,22mm…………………………………………..
52
Valores de dureza superficial Rockwell 30T en tapas corona espesores
0,22mm y 0,21mm posterior al conformado de PVC……………………
53
Peso promedio de empacaduras de PVC para tapas corona espesores
0,22mm y 0,21mm……………………………………………………….
53
Pérdida de presión interna para muestras de tapa corona espesores 0,22
mm y 0,21mm……………………………………………………………
55
Pérdida de Presión. Control de cierre del coronado y peso de
empacadura………………………………………………………………
55
Volumen de Carbonatación para muestras de tapa corona espesores
0,22mm y 0,21mm Sin Carga……………………………………………
57
Tabla 4.2
Tabla 5.1
Tabla 5.2
Tabla 5.3
Tabla 5.4
Tabla 5.5
Tabla 5.6
Tabla 5.7
Tabla 5.8
Tabla 5.9
Tabla 5.10
xii
Tabla 5.11
Tabla 5.12
Tabla 5.13
Volumen de Carbonatación para muestras de tapa corona espesores
0,22mm y 0,21mm con Carga…………………………………………...
57
Volumen de Carbonatación. Control de cierre del coronado y peso de
empacadura………………………………………………………………
58
Consumo anual y ahorro estimado de toneladas de hojalata al año para
espesores 0,22mm y 0,21mm…………………………………………….
59
xiii
___________________________________________________________________________
I.
1.1.
INTRODUCCIÓN
Empresa
1.1.1. Historia
El 29 de Mayo de 1.959 nace Industria Metalgráfica, la primera empresa instalada en la
Zona Industrial Sur de la ciudad de Valencia, Estado Carabobo. Desde allí, inicia sus actividades
con una franca contribución al desarrollo del país, en especial en la región Carabobeña donde se
ha convertido en artífice de la creación de numerosas fuentes de empleo, llevando con orgullo sus
productos a otros mercados, tanto nacionales como internacionales [1].
La empresa dirige su actividad económica hacia la fabricación de tapas metálicas y
litografía sobre metal, teniendo como clientes principales a las industrias cerveceras y de
refrescos en el país.
La noción de trabajo en equipo y la concepción integral de las labores de planta marcan la
pauta en el desarrollo, al cual se suma, desde el 12 de marzo de 1970, Plásticos Metalgráfica, con
el objetivo de fabricar gaveras plásticas para la industria cervecera y, con ello sustituir las gaveras
de cartón de poca durabilidad. En los años 80, gracias al avance continuo de la empresa, se abre
la posibilidad de conquistar nuevos mercados en el área de plásticos, mediante la incursión de
nuevos productos como pailas, cestas y huacales [1].
El 1 de octubre de 1995, por decisión unánime de La Asamblea de Accionistas de
Metalgráfica, las empresas antes mencionadas se fusionan en una sola entidad, denominada, a
partir de entonces, Industria Metalgráfica S.A., para unir esfuerzos, fortalezas y oportunidades [1].
1
___________________________________________________________________________
Con el paso de los años, Industria Metalgráfica S.A. refuerza sus operaciones y su
capacidad de respuesta de sus clientes con la incorporación de numerosos adelantos tecnológicos
en las plantas de tapas y de plásticos, y el sólido potencial de su gente para encarar los cambios
del entorno, logrando mejorar progresivamente los indicadores de eficiencia y la calidad de sus
procesos y productos. En este último caso, resalta la obtención de la certificación ISO 9001/2000,
que pone de manifiesto el compromiso creciente con la calidad de los procesos y productos al
demostrar 100% de cumplimiento de los requisitos y lineamientos de la norma, lo cual avala la
implantación y mejora de la eficiencia del sistema de gestión de la calidad en la empresa, bajo el
enfoque de procesos, mejora continua y satisfacción del cliente [1].
Hoy por hoy, su producción asciende a 30 millones de tapas por día, proceso que se
realiza con máquinas y equipos de alta tecnología e insumos de calidad suministrados por
proveedores nacionales.
Todos estos logros y evoluciones de la empresa, hacen que a partir del 01 de Octubre de
2006 se une a la gran fortaleza de Empresas Polar y pasa a llamarse Cervecería Polar C.A, Planta
Metalgráfica.
Planta Metalgráfica ha sabido aprovechar las oportunidades de mejoras que se han
presentado para fortalecer el negocio, y hoy se encuentra alineada a Cervecería Polar C.A, con
miras a potenciar los indicadores de gestión de la compañía, contando con los más valiosos
recursos: la gente y una cultura organizacional sustentada en valores que guían sus actuaciones
hacia el progreso.
1.1.2. Descripción del departamento involucrado en el proyecto de investigación
El presente trabajo de investigación fue desarrollado en el Departamento de
Aseguramiento de Calidad Tapas, encargado de llevar a cabo un estricto control de todos los
productos obtenidos en los procesos que se realizan en el área de tapas metálicas, así como en las
líneas de impresión, litografía y recubrimientos. Además, tiene la función de evaluar la calidad de
2
___________________________________________________________________________
los productos suplidos por proveedores, comportamiento general del proceso, clasificación de
unidades, análisis, desarrollo y estudios que contribuyan al logro y al éxito de una clase de
calidad que garantice el mayor y mejor grado de aceptación y confiabilidad del producto.
La estructura de cargos actuales en el Departamento de Aseguramiento de la Calidad
Tapas se muestra en el siguiente flujograma (figura 1.1)
Figura 1.1 Flujograma de cargos existentes en el Departamento de Aseguramiento de la Calidad Tapas de Planta
Metalgráfica [1].
3
___________________________________________________________________________
1.2.
Planteamiento del Problema
Uno de sus principales productos de Cervecería Polar C.A. Planta Metalgráfica, es la
fabricación de tapas metálicas elaborada con hojalata que proviene de la Siderúrgica del Orinoco,
SIDOR. La hojalata es la principal materia prima en lo que se refiere al presupuesto anual para la
fabricación de tapas metálicas, su presentación de entrega por parte del proveedor es en láminas
de dimensiones 842,85mm x 891,5mm y el espesor utilizado actualmente es de 0,22mm.
El factor económico es vital para toda empresa e industria que desee optimizar costos e
invertir en tecnología de punta a consecuencia de ahorros en el proceso productivo. Por esta
razón, la disminución del espesor de la hojalata empleada en la fabricación de tapas metálicas en
una centésima de milímetro parece insignificante, pero cuando se trata de un consumo anual de
18000 Toneladas de hojalata con espesor de 0,22mm, representa grandes cantidades en ahorro
económico.
Para llevar a cabo el siguiente proyecto de factibilidad tanto operacional como económico,
del uso de láminas de hojalata con espesor de 0,21mm, se requiere analizar y estudiar el
desempeño del producto final, efectos e incidencias en el proceso productivo de tapas metálicas,
características microestructurales y propiedades mecánicas de la hojalata en estudio, así como
también el impacto económico que este cambio implicaría.
4
___________________________________________________________________________
II.
OBJETIVOS
2.1. Objetivo General
•
Evaluar el impacto generado al sustituir la hojalata de espesor 0,22mm T-4 empleada
actualmente en la fabricación de tapa corona “Pry Off”, por hojalata de espesor 0,21mm
T-4, sobre las variables del proceso de fabricación, la calidad del producto y el factor
económico.
2.2. Objetivos Específicos
•
Evaluar las características microestructurales y propiedades mecánicas en láminas de
hojalata 0,22 mm T-4 y 0,21mm T-4.
•
Estudiar el control dimensional y la dureza durante el proceso de fabricación de la Tapa
Corona.
•
Evaluar el desempeño de la Tapa Corona fabricada con los espesores antes mencionados.
•
Estudiar la factibilidad desde el punto de vista económico de los cambios mencionados
anteriormente.
•
Determinar propuestas y planes de acción a ejecutar para llevar a cabo una
implementación idónea en el nuevo espesor de lámina.
5
___________________________________________________________________________
III.
FUNDAMENTOS TEÓRICOS
3.1. Tapa Corona
La Tapa Corona es una tapa metálica de hojalata estañada o cromada, en forma de disco
con falda corrugada, para envases de vidrio con corona de cierre, como se ilustra en la figura 3.1
[2]
.
Figura 3.1 Tapa corona elaborada con hojalata estañada T-4 E11
Las tapas corona se pueden clasificar según su cierre de la siguiente manera [2]:
•
Tapa Corona Fijas (Pry Off): Son aquellas tapas utilizadas para los acabados de botellas
de vidrio de la serie 600. Después de coronadas deben ser removidas mediante una acción
de palanca (destapador).
•
Tapas Coronas Girables: (Twist-Off): Son aquellas tapas utilizadas para los acabados
de botellas de la serie 500. Después de coronadas deben ser removidas mediante una
acción de giro.
6
___________________________________________________________________________
La materia Prima principal para la elaboración del cuerpo de la Tapa Corona es la Hoja
Negra (Black Plate), acero con un bajo contenido de carbono, que puede ser estañado o cromado
según las necesidades y solicitudes del cliente.
3.2. Aceros de bajo carbono para embutición empleados en la elaboración de tapa corona
Para la fabricación de la tapa corona se emplean los aceros de bajo contenido en carbono,
también conocidos como aceros suaves o dulces, con menos de 0,30% de carbono. Estos aceros
comúnmente son utilizados para productos industriales, como pernos, tuercas, láminas, placas,
tubos y componentes de maquinaria que no requiere de alta resistencia [3].
Los aceros preferidos en las operaciones de conformado en frío de láminas, presentan un
amplio intervalo de composición química, sin embargo, la gran mayoría son de baja aleación y de
bajo contenido de carbono. Típicamente, contienen entre 0,03 y 0,15% de carbono y menos de
1% de elementos aleantes. Es importante mantener a niveles bajos los contenidos de fósforo y
azufre, por lo general en cantidades inferiores a 0,035% y 0,04%, respectivamente [4].
La composición química constituye uno de los factores fundamentales que deben ser
considerados durante la fabricación de aceros para la obtención de lámina, ya que la
homogeneidad de la composición química trae como consecuencia durezas superficiales
uniformes, así como estructuras metalográficas deseadas después del recocido que contribuyen
satisfactoriamente en el trabajo en frío. A continuación, se señala el efecto de los principales
aleantes del acero [4,5]:
•
Carbono: El contenido de carbono es particularmente significativo en aceros que son
requeridos para aplicaciones de formabilidad. El incremento del contenido de carbono en
el acero aumenta la resistencia mecánica y reduce su formabilidad. Estos efectos son
causados por la formación de finas partículas de carburos en la matriz ferrítica y por la
obtención de un tamaño de grano fino. Por esta razón, la cantidad de carbono en aceros
7
___________________________________________________________________________
para láminas es generalmente limitado a un 0,10% para facilitar las operaciones de
conformado.
•
Fósforo y azufre: Son considerados indeseables en aceros para láminas destinadas a
procesos de conformado y estampado, debido a que su presencia incrementa el
agrietamiento durante el conformado en frío. Además, puede aumentar la anisotropía del
acero y causar un efecto impredecible en la recristalización durante el recocido.
•
Manganeso: Este elemento es necesario para neutralizar los efectos del azufre,
especialmente durante la laminación en caliente, ya que de esta forma se reduce la
tendencia a la fragilidad.
•
Cobre: Es generalmente considerado un elemento residual en aceros para láminas.
Aunque puede ser adicionado en pequeñas cantidades de 0,20% aproximadamente, con el
propósito de promover la resistencia a la corrosión atmosférica.
•
Aluminio: Es utilizado para fomentar el desarrollo de texturas cristalográficas y para la
obtención de altos valores de deformación plástica en bandas de acero laminado en frío y
posteriormente recocidas. Junto con el nitrógeno, forman nitruros de aluminio, que
controlan la textura cristalográfica necesaria durante el recocido para satisfacer la
propiedad de embutibilidad.
El acero empleado para la elaboración de tapa corona es de tipo MR según norma
COVENIN 1589 [6], y debe cumplir con los requisitos de composición química de acuerdo con su
tipo, indicados en la tabla 3.1.
El acero se clasifica de acuerdo a su uso en [6]:
Acero tipo D: Acero resistente al envejecimiento, calmado al aluminio y tratado térmicamente
para impartirle excelentes características de embutición. Se usa principalmente para partes
8
___________________________________________________________________________
sometidas a embutición muy profunda y para aplicaciones en que sea necesario evitar la
formación de estrías y de marcas superficiales, debidas al alargamiento del material al
deformarse, o donde se requieran propiedades direccionales especiales.
Tabla 3.1 Composición química máxima del acero según su tipo [6]
Análisis de Colada (máximo) %
Elementos
*
Tipo MR
Tipo D
Tipo L
Carbono
0.12
0.13
0.13
Manganeso
0.60
0.60 (a)
0.60 (a)
Fósforo
0.020
0.015
0.020
Azufre
0.03
0.03
0.03
0.020
0.020
0.020
Cobre
0.20
0.06
0.20
Níquel
0.15
0.04
0.15
Cromo
0.10
0.06
0.10
Molibdeno
0.05
0.05
0.05
Aluminio
0.20
0.10
0.20
Silicio
(a,b,c)
Otros
0.02
(a,d)
0.02
(a)
0.02 (a,d)
Notas: a) a menos que exista otro acuerdo entre productor y comprador. b) Cuando el acero es producido por
el método calmado al silicio, el porcentaje máx. de silicio puede ser incrementado hasta 0,08%. c) Cuando el
acero es producido por el método de calmado al aluminio, el porcentaje de silicio puede ser incrementado
hasta 0,03% máx., al menos que haya prohibición expresa del comprador. d) Cuando el acero es calmado al
aluminio, el contenido de aluminio total excede normalmente de 0,02%.
* Composición química del tipo de acero empleado para la elaboración de láminas empleadas para tapa corona.
Acero tipo L: Acero bajo contenido en metaloides y elementos residuales, que se selecciona
frecuentemente para la hojalata designada a envases de productos alimenticios fuertemente
corrosivos. Los elementos residuales como fósforo, silicio, cobre, níquel, cromo y molibdeno son
restringidos a los limites mínimos prácticamente posible.
Acero tipo MR: Acero similar en contenido de metaloides al tipo L pero con menos restricciones
en el contenido de elementos residuales como el cobre, níquel y cromo; sin embargo, el fósforo
se mantiene a bajo nivel. Se usa para la mayoría de las aplicaciones de la hojalata, para cuerpos
de envases para alimentos y tapa corona.
9
___________________________________________________________________________
3.3. Breve descripción del proceso de fabricación láminas para embutición
Después de un riguroso proceso de fusión en hornos de resistencia eléctrica y del ajuste de
la composición química del metal líquido, se obtienen los planchones por medio de colada
continua, los cuales constituyen la materia prima para la elaboración de productos planos. El
método usual para la manufactura de láminas delgadas de acero, consiste generalmente en
producir una banda laminada en caliente, su posterior limpieza superficial para remover capas de
óxidos y por último, la laminación en frío hasta alcanzar el espesor deseado
[4,7]
. A continuación
en la figura 3.2 se presenta esquemáticamente las etapas llevadas a cabo en serie para obtener
láminas delgadas de acero.
La laminación en caliente de planchones para producir hojas o láminas, se lleva a cabo
cuando el metal se encuentra a temperaturas mayores a la de recristalización, permitiendo obtener
grandes reducciones de espesor. Los planchones son precalentados a altas temperaturas (entre
1200 ºC y 1400 ºC) y son mantenidos dentro del horno por un determinado tiempo para lograr la
disolución y la homogenización de los elementos aleantes [8,9].
Figura 3.2 Representación esquemática del proceso de producción de productos laminados (Black Plate) [7]
10
___________________________________________________________________________
Después de ser extraídos del horno de precalentamiento, los planchones son laminados en
caliente en un tren de laminación y desbaste. La densidad de dislocaciones en la austenita
aumenta drásticamente
[14]
. Posteriormente del tren continuo de laminación en caliente, la banda
de acero es enfriada rápidamente por un sistema de rociado, hasta temperaturas comprendidas
entre 650 ºC y 500 ºC, para luego ser enrolladas. La temperatura de enrollado posee una marcada
influencia sobre el tamaño de grano ferrítico, el espaciado interlaminar y la morfología de la
perlita [4,9].
Posteriormente, se lamina en frío la banda obtenida en las etapas anteriores. Este proceso
de laminado, al igual que el efectuado en caliente, se logra haciendo pasar el metal a través de
una serie de rodillos laminadores. El objetivo esencial del laminado en frío, consiste en reducir el
producto, a espesores finales deseados con un buen acabado superficial libre de ondulaciones. Si
se trabaja en frío excesivamente, el metal puede ceder antes de alcanzar la forma y tamaño final.
Por esta razón, suele realizarse en varias etapas [8,9].
3.4. Tratamiento térmico de recocido
El recocido es un término genérico que denota un tratamiento que consiste en un
calentamiento a una determinada temperatura y por un tiempo dado, seguido de un enfriamiento a
una velocidad apropiada, realizado principalmente para suavizar ciertos materiales metálicos. La
microestructura final dependerá de la temperatura final del tratamiento térmico, del tiempo de
mantenimiento, así como de las velocidades de enfriamiento y calentamiento [10].
El recocido empleado por SIDOR a la hojalata empleadas para la elaboración de tapa
corona es el denominado Intercrítico. En este tratamiento térmico ocurre la formación de
austenita, debido a que el calentamiento se realiza hasta una temperatura comprendida entre A1 y
A3. En aceros hipoeutectoides, la estructura de equilibrio dentro del intervalo intercrítico consta
de una mezcla de ferrita y austenita. Sin embargo, el equilibrio entre estas fases no se alcanza
instantáneamente y es posible que persistan partículas de carburos sin disolver, sobre todo si el
tiempo de austenización es corto o la temperatura muy cercana a la del eutectoide. Esto origina
11
___________________________________________________________________________
que la estructura austenítica formada no sea homogénea. Por tal motivo, se considera que el
tiempo de austenización en este recocido, es una variable bastante influyente tanto en la
microestructura como en las propiedades mecánicas [10]. La austenita formada cuando el acero es
calentado por encima de la temperatura A1, se convierte en ferrita y perlita nuevamente durante
su posterior enfriamiento. La morfología de los carburos y la velocidad de descomposición de la
austenita, dependerá de la temperatura de transformación. Si la austenita se transforma justo por
debajo de la temperatura A1, se descompondría lentamente, dando origen a productos eutectoides
laminares bastante grueso o carburos esferoizados. En caso contrario, es decir, cuando la
temperatura de transformación decrece, la descomposición de la austenita será más rápida para
producir carburos láminares mucho más finos y duros, que aquellos formados a temperaturas
cercanas a A1 [10].
3.5. Tipos de Hornos de Recocido
Actualmente, el proceso industrial de recocido de los productos laminados de acero que
van a ser recubiertos electrolíticamente con cromo o estaño se desarrollan en dos formas
distintas: recocido en hornos de campana (BA), también conocido como estático o recocido en
caja, cuya duración oscila entre 50 y 100 horas, o bien mediante recocido continuo (CA), cuya
duración oscila entre 2 y 7 minutos [10,11].
El horno de recocido que proporciona las características adecuadas a la hojalata empleada
para la elaboración de tapa corona es el de recocido continuo. En la figura 3.3, se muestra la
historia térmica correspondiente a este recocido, acoplado al respectivo diagrama de fases hierrocementita.
En el proceso de recocido continuo, las láminas de acero de bajo contenido de carbono
desenrolladas, pasan rápidamente a través de un equipo de calentamiento que esta conformado
por dos sectores: el primero, calienta el acero a temperaturas comprendidas entre 750 ºC y 850 ºC
para lograr tanto la recristalización como la austenización parcial; mientras que en la segunda
etapa, se calienta y permanece a una temperatura más baja para envejecer al acero y remover el
12
___________________________________________________________________________
carbono efectivamente de solución. Ambas etapas tienen un tiempo de duración de 2 a 7 minutos
[10,11]
.
Figura 3.3 Recocido Continuo. (a) Proceso de Recocido Continuo. (b) Representación esquemática de la historia
térmica del recocido continuo [11]
El material a procesar, entra a las instalaciones de recocido continuo a través de rodillos
impulsores de entrada y es conducido continuamente en el interior por numerosos rodillos
accionados y ubicados en la parte inferior y superior de la cámara de calentamiento, para luego
abandonar el horno. La atmósfera interna es controlada por una mezcla de gases inertes,
protegiendo a la banda de la oxidación y de la descarburización [11].
3.6. Laminador Temper
El templado mecánico consiste en una leve laminación en frío de las bobinas ya recocidas,
con una elongación alrededor del 1%, con el objeto de mejorar sus propiedades de conformado,
controlar la planeza de la chapa y su acabado superficial, figura 3.4 [12].
Desde el punto de vista metalúrgico, con una leve laminación, se eliminan las bandas de
Lüders que aparecen en los aceros de bajo carbono durante las operaciones de doblado o
cilindrado [12].
13
___________________________________________________________________________
Figura 3.4 Vistas de laminador temper (Temper Mill) [9]
Otra característica del laminador Temper es que impone un acabado superficial sobre la
banda. El acabado de la superficie es afectado por la rugosidad del cilindro de trabajo, la
lubricación, la apertura entre cilindros, la cantidad de alargamiento y la fuerza del cilindro [12].
3.7. Electrodeposición
La electrodeposición, como otros procesos de recubrimiento, imparte las propiedades de
resistencia al desgaste a la corrosión, alta conductividad térmica y mejor apariencia y brillo, así
como otras propiedades convenientes [3].
En la electrodeposición, la pieza es el cátodo, y se recubre con un metal distinto (ánodo)
mientras que ambas están suspendidas en un baño que contiene una solución acuosa de
electrolito. Aunque en el proceso de electrodeposición intervienen varias reacciones, el proceso
básico implica lo siguiente [3]:
1.- Del ánodo se descargan o salen iones metálicos usando la energía potencial
proporcionada por la fuente externa de electricidad.
2.- Los iones metálicos se combinan con los iones en la solución.
3.- Los iones metálicos se depositan en el cátodo.
14
___________________________________________________________________________
Son esencialmente importantes la limpieza, el desengrasado químico, y el lavado
meticuloso de la superficie antes de la electrodeposición. Los materiales comúnmente
electrodepositados son el cromo, níquel, cadmio, cobre, zinc y estaño [3].
3.8. Proceso de Electrodeposición de Estaño
El proceso de electrodeposición de estaño consiste en sumergir el material a proteger en
una solución compuesta por sulfato de estaño y ácido sulfúrico. Lo que sucede durante la
electrolisis es que la corriente eléctrica lleva iones de estaño del ánodo al cátodo, recubriéndolo
de una capa delgada y uniforme. Cuando el estaño metálico se coloca en un electrolito adecuado,
este se transforma en un ión, gracias a su capacidad de ceder electrones. Se mueve a través del
electrolito para depositarse en el cátodo [13].
El estaño puede ser depositado tanto en soluciones alcalinas como ácidas. La principal
diferencia está que en soluciones alcalinas el ión toma una valencia +4, mientras que en
soluciones ácidas, una valencia +2. Por consecuencia, en sistemas alcalinos se necesita un mayor
paso de corriente que en sistemas ácidos. Los electrolitos alcalinos contienen el ión Estannito
(Sn+4) y el hidróxido necesario para obtener satisfactoriamente el recubrimiento. La mayoría de
los problemas encontrados en los sistemas alcalinos resultan del manejo inapropiado en el control
del ánodo. Existen dos factores que restringen el rango de densidad de corriente. El primero es la
solubilidad del Estannito en el hidróxido. El segundo es la reducción de la eficiencia del cátodo a
medida que aumenta la densidad de corriente. Los rangos de densidad de corriente están entre los
0,5 a 40 A/dm2 [14].
Los electrolitos ácidos más usados son el sulfato estannoso y el fluoborato estanoso. El
electrolito de sulfato estannoso es el más popular por su facilidad de operación. La tasa de
deposición está relacionada con la concentración del metal en el electrolito. El rango de corriente
usado con estos electrolitos está entre los 1 a 10 A/dm2. Cuando se usa el electrolito de fluoborato
estannoso, la densidad de corriente puede llegar hasta 20 A/dm2, debido a su buena conductividad
eléctrica [14].
15
___________________________________________________________________________
Entre las aplicaciones de mayor uso en la industria se encuentra la fabricación de la
hojalata o ETP (Electrolytic Tin Plate). Este es un material heterogéneo de estructura
estratificada, cuya base está constituida por una lámina de acero de bajo carbono, recubierta por
ambas caras con una capa de estaño, que se utiliza en la fabricación de envases y partes para
envases, los cuales deben reunir ciertas propiedades según el producto que contenga, el proceso
de producción y el destino final del envase. Este recubrimiento les otorga una mayor resistencia a
la corrosión, mejor apariencia y a la vez facilita la unión de piezas mediante la soldadura blanda
[13]
.
3.9. Teoría de Embutición
La embutición constituye un proceso de conformado de las láminas delgadas de acero
para la fabricación de tapa corona. Durante este proceso, el material está expuesto a diferentes
tipos de deformaciones, como se aprecia en la figura 3.5.
Figura 3.5 Esfuerzos mecánicos presentes durante la embutición [15].
La parte central de la muestra, debajo del punzón “punch”, se alarga en dos direcciones y
tiene tendencia a reducir su espesor. Mientras que el borde exterior “flange” se contrae hacia el
interior. Finalmente, en el costado de la pieza “cup wall”, se presenta un alargamiento
considerable debido a un estado de esfuerzos biaxiales de tensión, con tendencia a reducir el
espesor de la lámina [15,16].
16
___________________________________________________________________________
De acuerdo a lo descrito anteriormente, las láminas de aceros son sometidas a distintos
estados de deformación durante el proceso de embutido. Por esta razón, es importante inducir en
el material una apropiada orientación preferencial de los sistemas de deslizamiento cristalinos,
con respecto al eje principal de aplicación de esfuerzos externos (textura cristalográfica) para que
se deforme en mayor proporción en el plano de la lámina y ocurra poca reducción de espesor, es
decir, generar un elevado nivel de anisotropía plástica (r), evitando así, la formación de defectos
tales como las denominadas orejas de embutición o “edge splitting”.[15,17] Se ha demostrado que
la textura cristalográfica más favorable para la embutición de aceros de bajo contenido de
carbono, es aquella en donde una alta proporción de granos se orientan con los planos {111}
paralelos al plano de la lámina [17,18].
3.10. Características de la hojalata estañada empleada para la elaboración de tapa corona
A continuación se presentan las características de las láminas de hojalata estañada T-4 CA
con recubrimiento E11 para espesores 0,22mm y 0,21mm, en relación a su tratamiento termomecánico (dureza), a su composición química y el peso de recubrimiento por cada una de sus
caras. El grado de temper de la hojalata depende del tratamiento termomecánico aplicado, los
valores de dureza para la misma cuando es tratada en hornos de recocido continuo son indicados
en la tabla 3.2.
Tabla 3.2 Dureza de la hojalata recocida en hornos continuos [6].
Dureza Rockwell 30 T
Grado de Temper
Desviación máx. del promedio
Nominal
de muestras
*
T3 CA (T57)
57
±4
T4 CA (T61)
61
±4
T5 CA (T65)
65
±4
T6 CA (T71)
71
±4
*Valor de dureza del material en estudio.
17
___________________________________________________________________________
Las especificaciones de las composiciones químicas de los aceros SIDOR utilizados para
la fabricación de productos, principalmente en láminas o bobinas, recubiertas con estaño o cromo
según su espesor y tratamiento termomecánico, se presentan a continuación en la tabla 3.3.
Tabla 3.3 Composición química de aceros SIDOR recubiertos con estaño o cromo según temple y espesor [19].
Composición Química SIDOR
TACE 223
% Elementos
T1 (0,29 - 0,55 mm)
T2 (0,20 - 0,24 mm)
*
TACE 003
T2 (0,25 - 0,55 mm)
T2 ½ (0,20 - 0,24mm)
T4 (0,18 – 0,55 mm)
TACE 004
T2 ½ (0,25 – 0,34 mm)
T3 (0,20 – 0,55 mm)
TACE 005
T5 (0,18 – 0,55 mm)
Carbono
0.03 – 0.05
0.03 – 0.06
0.07- 0.09
0.05 – 0.07
Manganeso
0.10 – 0.20
0.15 – 0.30
0.30 – 0.45
0.30 – 0.45
Fósforo
0.015 máx.
0.020 máx.
0.020 máx.
0.015 máx.
Azufre
0.018 máx.
0.020 máx.
0.020 máx.
0.020 máx.
Silicio
0.030 máx.
0.030 máx.
0.030 máx.
0.030 máx.
Cobre
0.060 máx.
0.060 máx.
0.10 máx.
0.15 máx.
Níquel
0.040 máx.
0.040 máx.
0.040 máx.
0.040 máx.
Cromo
0.05 – 0.10
0.060 máx.
0.040 máx.
0.06 máx.
Aluminio
0.03 – 0.06
0.03 – 0.08
0.03 – 0.065
0.03 – 0.08
Otros (c/u)
0.02 máx.
0.02 máx.
0.02 máx.
0.02 máx.
Nitrógeno
0.007 máx.
0.008 máx.
0.008 máx.
0.008 máx.
* Composición química de acero en estudio.
La hojalata electrolítica debe tener una masa de recubrimiento de estaño o cromo de
acuerdo con lo establecido en la norma COVENIN 1589:2003
[6]
, ver la tabla 3.4. Dichos
recubrimientos se pueden aplicar de dos maneras que se mencionan y se explican continuación
[6]
:
Recubrimiento igual (regular): es aquella que se caracteriza por presentar un valor específico de
la masa de recubrimiento igual por ambas caras.
18
___________________________________________________________________________
Recubrimiento diferencial: es aquella en la cual el recubrimiento es de mayor masa en una de las
caras (generalmente la superior), que en la otra.
Tabla 3.4 Peso de recubrimiento de hoja estañada electrolítica [6].
Designación
Peso Nominal del
Peso del recubrimiento mínimo
recubrimiento en cada cara
promedio por cada cara
A
B
C
g/m2
g/m2
5
E 06/06
-
0.6
0.5
10
E 1.1/1.1
-
1.1
0.9
15
E 1.7/1.7
-
1.7
1.4
20
E 2.2/2.2
-
2.2
1.8
25
E 2.8/2.8
E11
2.8
2.5
35
E 3.9/3.9
-
3.9
3.6
50
E 5.6/5.6
E22
5.6
5.2
75
E 8.4/8.4
E33
8.4
7.8
100
E 11/11.2
E44
11.2
10.1
D 50/25
D 5.6/2.8
E21
5.6/2.8
5.6/2.5
D 75/25
D 8.4/2.8
E31
8.4/2.8
7.8/2.5
D 75/50
D 8.4/5.6
E32
8.4/5.6
7.8/5.2
D 100/25
D 11.2/2.8
E41
11.2/2.8
10.1/2.5
D 100/50
D 11.2/5.6
E42
11.2/5.6
10.1/5.2
D 100/75
D 11.2/8.4
E43
11.2/8.4
10.1/7.8
D 135/25
D 15.2/2.8
E51
15.2/2.8
14.0/2.5
*
Nota:
a) La designación A, B ó C puede ser usada indistintamente según acuerdo cliente y proveedor.
El valor mínimo encontrado no debe ser menor que 80% del valor promedio del peso de recubrimiento.
* Peso nominal del recubrimiento de estaño de los materiales en estudio.
3.11. Descripción del proceso productivo de la tapa corona
El proceso de manufactura de la tapa corona comprende varias etapas que abarca desde
la recepción de materias primas, proceso de aplicación de los recubrimientos y barnizado,
troquelado, moldeado ó colocación del compuesto orgánico sellante, hasta llegar al producto
terminado. Dicho proceso se puede apreciar de manera esquemática en la figura 3.6.
19
___________________________________________________________________________
Figura 3.6 Esquema del proceso de elaboración de tapa corona [19].
A continuación se detalla cada una de las etapas que se encuentran involucradas en el
proceso de fabricación de tapa corona:
3.11.1. Recepción y evaluación de Materia Prima
Durante esta etapa son recibidos y evaluados todos los productos que se incorporan al
proceso. Todas las materias primas son evaluadas bajos ciertos métodos y, cumpliendo con
parámetros o especificaciones; reproduciendo a escala de laboratorio el proceso productivo de la
manera más representativa y verificando ciertas características que no son medidas durante el
proceso industrial [20].
En el proceso de recepción y evaluación de materia prima, toda la información es
registrada, procesada y almacenada permitiendo una búsqueda fácil y precisa.
20
___________________________________________________________________________
3.11.2. Área de Litografía
En esta área son aplicados todos los recubrimientos sobre las láminas de hojalata y se
realiza también el proceso de decorado o impresión del arte a través del proceso de litografiado.
Consta de varias etapas:
.- Destapado de bultos: En esta operación se procede a colocar los bultos en la cinta
transportadora
correspondiente
para
este
fin
donde
posteriormente
son
destapados,
inmediatamente son evaluados e identificados con un número correlativo interno. Esta
identificación se realiza con la finalidad de llevar un control y seguimiento de la trazabilidad de
cada bulto, para este fin es identificado con una lámina que posee un formato donde es vaciada
toda la información del bulto de cada uno de los pasos del proceso (esta lámina es llamada tapa
de bulto) [20].
.- Aplicación de Siza y Organosol: Las láminas provenientes de SIDOR se proceden a
recubrir por ambas caras. En la cara superior se aplica el recubrimiento de Siza, la cual es una
resina de tipo epoxi fenólica o epoxi modificada que proporciona una película de gran adhesión a
sustratos metálicos, así como favorece la adhesión de tintas convencionales ó Ultra Violeta (UV)
y barnices epoxiester, poliéster o epoxi modificado
[21]
. Mientras que por la cara inferior de la
lámina se aplica el Organosol que son dispersiones de copolímeros ó homopolímeros vinílicos los
cuales se modifican con resinas, aditivos y solventes, presentando un contenido de sólidos entre
40 – 80 %. Pueden ser incoloros, dorados y pigmentados, tienen buenas propiedades de dureza,
flexibilidad y resistencia química. Son usados como recubrimientos protectores en envases
embutidos, tapas, cierres y aerosoles. Además, este recubrimiento interior en las tapas corona
actúa como buen sustrato para el anclaje del compuesto de PVC (Policloruro de Vinilo) [22].
Estos recubrimientos son aplicados a través de un sistema de barnizadora de
rodillos que distribuye el producto con una película uniformemente que inmediatamente es
curada en hornos [20].
21
___________________________________________________________________________
Por razones de manejo del material, es aplicada primeramente la película Siza
seguida por el Organosol.
.- Litografiado y Barnizado: Es en esta etapa donde es colocado el arte y es dependiente
de cada cliente, esta operación es realizada con una prensa a través de un proceso llamado
litografía, esta prensa imprime un total de 594 tapas distribuidas en una lámina. Seguidamente
se realiza el proceso de barnizado que propiamente es aplicar el Barniz Final Transparente
sobre la lámina litografiada que posteriormente es horneada [20].
3.11.3. Área de embutido y troquelado
En esta etapa, son transformadas las láminas ya preparadas con sus respectivos
recubrimientos y arte en la tapa corona, pasando por un proceso de embutido y troquelado, donde
se le da la forma característica y las dimensiones adecuadas a la tapa para su buen desempeño. La
morfología de la tapa corona se realiza en una prensa con un diseño herramental de 27
formadores (punzones) de tapa, cuya matriz realiza 22 golpes para procesar una lámina en su
totalidad y extraer de ella las 594 tapas que conforman una lámina [20].
3.11.4. Área de moldeo (colocación del compuesto sellante)
En esta parte se realiza la colocación de la empacadura, compuesto sellante de PVC,
plastificado por la parte interna, que es donde lleva el recubrimiento de Organosol. Este proceso
se realiza en una máquina de tecnología Italiana y consta de tres etapas. La primera es el proceso
de extrusión del PVC granulado y la dosificación por peso, la segunda es el calentamiento de la
tapa con el fin de permitir el reblandecimiento del Organosol y la tercera es la colocación de la
dosis y moldeo para darle forma a la empacadura [20].
22
___________________________________________________________________________
IV.
DESARROLLO EXPERIMENTAL
4.1. Selección del Material
En Cervecería Polar planta Metalgráfica, uno de los productos que se elaboran y que fue
objeto de estudio es la tapa corona “Pry Off”, la misma es fabricada con hojalata estañada T-4
CA E11 proveniente de la Siderúrgica del Orinoco C.A. La hojalata presenta características
ventajosas para la fabricación de envases, ya que combina la resistencia mecánica y formabilidad
del acero de bajo carbono con la resistencia a la corrosión y excelente apariencia del estaño. Para
el caso de la tapa corona, además de estas virtudes, tiene buenas propiedades para ser barnizada e
impresa, procesos fundamentales en la elaboración de la tapa corona. La composición química de
la hojalata se muestra en la tabla 4.1.
Tabla 4.1 Composición química promedio de la hojalata empleada para la elaboración de tapa corona.
%C
%Mn
%P
%S
%Si
%Cu
%Ni
%Mo
%Al
%Cr
% Otros
0,06
0,18
0,011
0,003
0,012
0.01
0,001
0,002
0,036
0,01
0,0016
En vista de la importancia que tiene el factor económico y la visión de Cervecería Polar
C.A. en aminorar costos y materiales, se decidió realizar un estudio de factibilidad de sustituir las
láminas de hojalata estañada de 0,22 mm de espesor, empleadas actualmente, por un espesor de
0,21 mm. Para llevar a cabo dicho estudio, se evaluaron ciertos factores que son explicados a
continuación:
4.2. Caracterización del material por medio de análisis metalográfico
Para llevar a cabo el estudio de la microestructura fue necesario realizar varias etapas las
cuales se mencionan y se explican a continuación: corte, proceso de embutido y preparación
metalográfica.
23
___________________________________________________________________________
Corte de Muestras. Se cortaron las piezas de hojalata estañada E11 de espesor 0,21mm T4 y 0,22mm T-4 con las dimensiones que se presentan en la figura 4.1a utilizando una tijera para
corte de hojalata marca Truper. Posteriormente, se agruparon de la siguiente manera tomando en
cuenta el sentido de laminación y la superficie a estudiar. Una pieza se utiliza para analizar la
superficie normal al plano de laminación (DN) y para la preparación de las superficies en
dirección longitudinal (DL) y la dirección transversal (DT) se unieron varias piezas para así tener
una mayor superficie de estudio, ya que los espesores son muy delgados. Este procedimiento se
realizó para cada uno de los materiales empleados.
Proceso de Embutido. Debido a las dimensiones y espesores de las muestras fue necesario
embutirlas utilizando el equipo LECO PR-15. El proceso de embutición consistió en colocar las
piezas en una resina polimérica termoestable (bakelita), con la finalidad de proporcionar mayor
superficie de manipulación y facilitar la preparación metalográfica, como se muestra en la figura
4.1b.
Figura 4.1 Preparación Metalográfica. (a) Identificación de los cortes realizados en la hojalata para la metalografía.
DN Dirección Normal, DL Dirección Longitudinal y DT dirección transversal, (b) Probetas embutidas en resina
polimérica para las muestras con 0,22mm y 0,21mm de espesor.
Preparación Metalográfica. El proceso llevado a cabo para la preparación metalográfica
de varias muestras, consistió en primer lugar en el desbaste mecánico empleando papeles
24
___________________________________________________________________________
abrasivos de carburo de silicio con tamaño de partículas decrecientes, desde Nº 180 hasta Nº 600.
Posteriormente se procedió con el pulido en un equipo Struers Knuth-Rotor-3 de discos
giratorios, utilizando una solución de alúmina de 1µm y 0,05µm. Cabe destacar que tanto para la
etapa de desbaste como de pulido, se lubricaron constantemente las muestras por medio de un
flujo de agua. Culminada la etapa de pulido y una vez obtenida una superficie especular para
cada muestra, se realizó el ataque químico utilizando la técnica de inmersión, que consistió en
sumergir la superficie en estudio en una solución de Nital 5% (5 ml HNO3 concentrado en 95 ml
de Etanol), durante un tiempo de 6 segundos. Finalmente, mediante un dispositivo de captura de
imágenes marca OLYMPUS PMG-3 y el microscopio óptico metalográfico, se tomaron
fotomicrografias a diferentes aumentos, 100X, 500X y 1000X donde se apreciaron detalles
microestructurales importantes en cada una de las muestras.
4.3. Análisis estereológico (Tamaño de grano)
Para llevar a cabo el cálculo del tamaño de grano ferrítico para cada uno de los materiales
empleados, hojalata 0,22mm T-4 y 0,21mm T-4, se empleó el método del intercepto de Heyn.
Dicho método consistió en trazar siete líneas de manera arbitraria sobre la fotomicrografía, de
longitudes conocidas (LT). Se contó el número de interceptos (Ni) de cada una de éstas líneas con
los bordes de grano tomando en cuenta la siguiente regla establecida en la norma ASTM E112-96
[23]
: las intercepciones con un borde de grano se cuantificó como 1 punto, las intercepciones con
puntos triples se contaron como 1,5 y las intercepciones tangenciales con un borde de grano se
contabilizó como 0,5 puntos.
Se calculó la longitud promedio de intercepto lineal (L3) por cada línea trazada, el cual es
un parámetro análogo al diámetro promedio del grano (dprom) a través de la siguiente ecuación:
L3 = d prom =
25
LT
M .N i
(1)
___________________________________________________________________________
en donde M es el aumento real de la fotomicrografía empleada en el cálculo. Para saber el
promedio de grano se contabilizaron intercepciones de las siete líneas trazadas en la misma
fotomicrografía, el tamaño de grano promedio se calculó de acuerdo a la siguiente relación [23]:
i=7
d prom =
LT
∑ M .N
i =1
i
7
(2)
Por otra parte, los granos de ferrita no se presentaron de manera equiaxial por lo que el
cálculo del tamaño de grano mediante el método del intercepto de Heyn fue realizado en las tres
direcciones principales en relación a la laminación. Se calculó el tamaño de grano en la superficie
normal al plano de laminación (dprom(n)), a la superficie longitudinal (dprom(l)) y a la transversal
(dprom(t)), bajo el método descrito anteriormente. Para el cálculo del tamaño de grano promedio en
las tres direcciones (Dprom) se empleó la siguiente relación:
1
D prom = (d prom ( n ) + d prom ( l ) + d prom (t ) )
3
(3)
4.4. Análisis de dureza superficial Rockwell
Se cortaron tres muestras de cada espesor como se indica en la figura 4.2a tomando en
cuenta el sentido de laminación, posteriormente se procedieron a ensayar cada una de ellas de la
siguiente manera: Se empleó un durómetro Rockwell superficial WILSON como el mostrado en
el esquema de la figura 4.2b y se realizaron diez indentaciones para cada una de las muestras en
la superficie normal (DN) en un orden aleatorio para reportar el respectivo valor promedio de
dureza, operando bajo una precarga de 3 Kgf, una carga de 30 Kgf y utilizando un penetrador
esférico de diámetro de 1,588mm por un tiempo de indentación de 10 seg, tal como se indica en
la norma ASTM E18-03 [24].
26
___________________________________________________________________________
Figura 4.2 Dureza Superficial Rockwell HR30T. (a) Identificación de los cortes realizados en la hojalata para
realizar ensayos de dureza, (b) Esquema del equipo de dureza superficial Rockwell y la identificación de sus partes
[25]
.
4.5. Determinación de las propiedades mecánicas a tracción
Para realizar los ensayos de tracción uniaxial se troquelaron 18 probetas a partir de la
lámina de hojalata en condiciones normales de entrega. Las dimensiones de las probetas fueron
seleccionadas de acuerdo a la norma ASTM E8M-04
[26]
, tomando como punto de referencia el
espesor de lámina cuyos valores nominales son 0,21mm y 0,22mm. En la figura 4.3 se muestran
las dimensiones de la probeta estándar empleada en los ensayos realizados. La finalidad de estos
ensayos fue evaluar las propiedades mecánicas a tracción de los materiales empleados, cuando a
éste se le modifica el espesor. Las principales propiedades que fueron estudiadas son: resistencia
máxima, resistencia a la fluencia y porcentaje de elongación total.
El troquelado de las probetas de tracción se realizaron considerando la dirección de
laminación del material y de esta forma se obtuvieron tres grupos de probetas: 1) las orientadas
paralelamente a la dirección de laminación, 2) las orientadas diagonalmente a 45º y 3) las
orientadas perpendicularmente a la dirección de la laminación del material, como se observa en la
figura 4.4.
27
___________________________________________________________________________
Dimensiones de la Probeta
G
Longitud de prueba
50 ± 0,25 mm
W
Ancho
12,5 ± 0,25 mm
T
Espesor de material
0.,21 mm y 0,22 mm
R
Radio de curvatura mínimo
13 mm
A
Longitud de la sección reducida
75 mm
B
Longitud de la sección de agarre
50 mm
C
Ancho de la sección de agarre
20 mm
Figura 4.3 Dimensiones estándar de la probeta plana para ensayos de tracción uniaxial[26]
Figura 4.4 Esquema del troquelado para la obtención de probetas de tracción a 0º, 45º y 90º respecto a la dirección
de laminación de la hojalata.
4.5.1. Ensayos de tracción
Los ensayos de tracción fueron realizados en la máquina de ensayos mecánicos MTS 810
(figura 4.5a), con una velocidad de desplazamiento del pistón de 35 mm/min y se empleó un
extensómetro longitudinal con el cual se midieron las deformaciones instantáneas (figura 4.5b).
Con dichos ensayos de tracción se determinaron propiedades tales como, el esfuerzo de fluencia
28
___________________________________________________________________________
del material por medio del criterio del 0,2% de deformación permanente, la resistencia máxima y
la elongación total de los aceros empleados con espesores 0,22mm T-4 y 0,21mm T-4.
Figura 4.5 Ensayo de Tracción uniaxial. (a) Máquina de ensayos de tracción MTS 810. (b) Detalle de las mordazas
del equipo y el extensómetro colocado para medir el alargamiento de la probeta de tracción.
Las propiedades se calcularon para diferentes direcciones con respecto a la laminación, se
tomaron en cuenta la dirección longitudinal (0°), dirección transversal (90°) y la dirección
diagonal a (45°). El % elongación se calculó mediante la ecuación [27]:
%e =
l f − li
li
× 100
(4)
donde lf y li corresponden a la longitud final e inicial de la probeta, respectivamente.
Posteriormente luego de conocidas las propiedades en las diferentes direcciones ya
mencionadas anteriormente, se calcularon los promedios según las ecuaciones siguientes [15,28]:
Esfuerzo de fluencia promedio (σy):
σy =
σ y 0 + 2σ y 45 + σ y 90
0
0
4
29
0
(5)
___________________________________________________________________________
Resistencia máxima promedio (σm):
σm =
% de Elongación total promedio (%e)
%e =
σ m 0 + 2σ m 45 + σ m90
0
0
0
4
%e00 + 2%e450 + %e900
4
(6)
(7)
4.6. Características del desempeño del material durante el proceso de fabricación de Tapa
Corona.
Para llevar a cabo los ensayos relacionados con el desempeño del material durante el
proceso de fabricación de la tapa corona y como producto final, se realizó una preparación previa
de todas las láminas en estudio de 0,22mm T-4 y 0,21mm T-4. Dicha preparación consistió en
aplicar todos los recubrimientos necesarios previos a la etapa de troquelado. En primer lugar se
aplicó el recubrimiento “Siza” y “Organosol”, posteriormente fueron aplicadas las tintas
necesarias para dar el arte final a la tapa corona y finalmente se aplicó el barniz. En relación al
desempeño de la tapa corona durante el proceso de fabricación de la misma, se consideraron las
etapas críticas o susceptibles a modificación producto del procesamiento de láminas de menor
espesor, es decir aquellas etapas que pudiesen tener algún efecto en las características tanto
dimensionales como físicas de la tapa corona. Las etapas fueron las siguientes: troquelado,
embutido y dosificación de (PVC).
4.6.1. Control dimensional de Tapa Corona para diferentes espesores de lámina.
Con la finalidad de analizar el efecto de la disminución de espesor de lámina en la etapa de
troquelado, se realizó una evaluación con diferentes espesores, 0,22mm T-4, 0,21 mm T-4 y
0,245mm T-4, tomando en cuenta los parámetros de la máquina SACMI del troquel Nº 8 y en
especial los formadores de cada tapa corona. Todo esto con la finalidad de medir el
comportamiento de la altura y diámetro externo de la tapa. Cabe destacar que el espesor 0,245
mm utilizado para refrescos se incluyó en este ensayo para incrementar el número de muestras.
30
___________________________________________________________________________
Este procedimiento consistió en troquelar una lámina de cada uno de los espesores antes
mencionados y seleccionar una tapa de cada formador. La selección de cada una de las tapas, se
llevó a cabo con la ayuda de la enumeración que tiene cada una de ellas en la corrugación de la
tapa, como se muestra en la figura 4.6.
Figura 4.6 Identificación de la ubicación del Nº de Formador
Posteriormente se realizaron mediciones de altura y diámetro externo a las muestras en el
equipo de medición correspondiente, figura 4.7. Para ello se colocó la tapa en la base del equipo
y se bajaron los palpadores hasta hacer contacto con la misma. Se tomó nota de la lectura de los
diales la cual fue registrada en el formato correspondiente. Las especificaciones técnicas que se
deben cumplir son: Altura. min: 5,842 mm, máx: 6,147 mm y el Diámetro Externo. min: 31,877
mm, máx: 32.385 mm.
Figura 4.7 Control dimensional de Tapa Corona. (a) Equipo de medición de altura y diámetro externo. (b) Vistas de
la Tapa Corona.
31
___________________________________________________________________________
4.6.2. Control de la dureza del acero durante el proceso de troquelado y el ensamblado de
tapa corona
En el proceso de elaboración de tapa corona existen dos etapas que son factibles a que
exista una modificación en la dureza del material, las cuales son el troquelado y el ensamblado.
En el troquelado porque existe una deformación plástica del material, mientras que en el
ensamblado (aplicación del compuesto sellante) por cambios de temperatura. Por está razón, se
realizó un estudio del comportamiento de la dureza del acero en estas etapas.
Para estudiar la fase de troquelado fueron seleccionadas diez tapas conformadas por cada
uno de los espesores en estudio, el término conformadas se refiere a la tapa corona sin la
dosificación de PVC polímero termoplástico (Policloruro de Vinilo), figura 4.8a. De igual
manera, para la etapa de ensamblado se tomaron el mismo número de tapas, pero con la
diferencia que estas ya contenían la dosificación de PVC, figura 4.8b. Por esta razón, para
realizar el ensayo de dureza fue necesario extraer la empacadura de PVC formada, figura 4.8c,
calentando la tapa en una plancha por un tiempo de 45 s a 90 °C.
Una vez realizado este procedimiento de selección y extracción de la empacadura de PVC
para las tapas a ensayar de las etapas de troquelado y ensamblado, se midió la dureza superficial
empleando el mismo procedimiento anteriormente descrito (Análisis de dureza superficial
Rockwell), con la diferencia que se realizaron tres indentaciones en posiciones aleatorias por
cada tapa corona.
Figura 4.8 Etapas del proceso de embutido y dosificación del compuesto sellante. (a) tapa corona conformada. (b)
dosificación y (c) conformado del PVC.
32
___________________________________________________________________________
4.6.3. Control de peso de empacadura (dosificación de PVC)
Se llevó a cabo con el propósito de verificar que el peso de empacadura que se dosificó a
las muestras en estudio, se encontraban dentro de las especificaciones técnicas de Cervecería
Polar. Para ello se
tomaron 25 tapas de 0,22mm T-4 e igual número de 0,21mm
T-4,
posteriormente se colocaron en la plancha de calentamiento a una temperatura de 90 ºC por un
tiempo de 45 s, figura 4.9a, seguidamente se le aplicó una palanca con un destornillador plano y
se extrajo la empacadura, figura 4.9b, la cual fue pesada en una balanza analítica y reportado su
peso en el formato correspondiente.
Figura 4.9 Fases de la extracción de la empacadura. (a) Plancha de calentamiento a 90 ºC. (b) Palanca con el
destornillador plano a la empacadura.
4.7. Características del desempeño de la tapa corona para cada uno de los espesores
estudiados
Un factor importante en la industria que se debe tomar en consideración al momento de
modificar o sustituir algún material, es su desempeño. El desempeño de la tapa corona se evalúa
realizando una serie de ensayos que se presentan a continuación, estipulados en el manual de
“Proceso de Fabricación de Tapa Corona y Láminas Litografiadas” [20].
33
___________________________________________________________________________
4.7.1. Pérdida de Presión Interna
Empleando el método de ensayo “Pérdida de Presión ENS-030”
[29]
se llenaron las 100
botellas “Pry Off” con agua potable, posteriormente se coronaron, (el término coronar se refiere
al cierre o tapado de la botella con la tapa corona). El diámetro de cierre debe estar comprendido
entre 28,575mm y 28,702mm, esta medición se llevó a cabo con un instrumento denominado
“Pasa No-Pasa”, figura 4.10a y las botellas se coronaron con el equipo de coronado neumático,
ver figura 4.10b.
Figura 4.10 Cierre de la Tapa Corona. (a) Instrumento para medir el cierre de la Tapa Corona, identificado como
Pasa No-Pasa, (b) Equipo de coronado neumático.
De la totalidad de las 100 botellas ensayadas, 50 fueron coronadas con tapas 0,22mm T-4
y el resto con tapas 0,21mm T-4. Posteriormente se pasteurizó la mitad de las botellas de cada
grupo de tapas, en el equipo correspondiente (figura 4.11) a una temperatura de 70 ºC por un
tiempo de 20 minutos y se dejaron reposar a temperatura ambiente durante 4 horas. Después se
ensayaron todas las muestras separando las pasteurizadas de las que no se pasteurizaron de la
siguiente manera en el equipo probador de sello (Test Pressure), mostrado en la figura 4.12a. Se
introduce en la tapa de la botella el dispositivo de conexión, figura 4.12b, por donde se inyecta
34
___________________________________________________________________________
N2(g) dentro de la botella. Cuando exista fuga del gas entre el cierre de la botella, se considera que
a esa presión ha ocurrido la falla. De acuerdo a las especificaciones cada botella debe soportar un
mínimo de 690 kPa y un máximo de 1100 kPa. El ensayo se realiza hasta 1100 kPa si no ocurre la
fuga, se considera aprobado porque esta por encima de la especificación.
Figura 4.11 Equipo de pasteurización e indicación de sus principales partes.
Figura 4.12 Ensayo de Perdida de Presión. (a) Equipo de medición de probador de sello, (b) Conector para
suministro gas nitrógeno (N2).
4.7.2. Retención de Carbonatación (CO2)
Empleando el método de ensayo de “Retención de Carbonatación ENS-028,029” [30], se
preparó una solución de agua destilada y ácido sulfúrico (H2 SO4) de normalidad 0,109 ± 0,003 N
para obtener un volumen de carbonatación 3, que es la relación del volumen de gas carbónico
disuelto y un volumen de agua, apéndice 4.1. Con dicha solución se llenaron 72 botellas de
35
___________________________________________________________________________
0,222 l, extrayendo el exceso de líquido con una varilla de goma, luego se procedió a agregar tres
pastillas de 1 g de bicarbonato de sodio (NaHCO3), inmediatamente se coronaron las muestras
para evitar la fuga del gas que involucra esta reacción. Finalmente se midió el diámetro de cierre
con el instrumento “Pasa No-Pasa”. En este procedimiento se emplearon 36 tapas de 0,21mm T-4
y 36 tapas de 0,22mm T-4. Los ensayos se dividieron de la siguiente manera:
Tabla 4.2. Distribución de los ensayos de carbonatación y tiempo en reposo para ser ensayadas.
Nº Muestras 0,22mm
Tiempo ensayo[h]
Nº Muestras 0,21mm
Tiempo ensayo[h]
12 muestras iniciales
¼ hora
12 Muestras iniciales
¼ hora
12 muestras Sin Carga
24 horas
12 muestras Sin Carga
24 horas
12 muestras Con Carga
72 horas
12 muestras Con Carga
96 horas
Muestras Iniciales: Después del coronado se procedieron a ensayar con el equipo de
retención de carbonatación (figura 4.13), se colocó la botella en la base del equipo y con los
soportes de deslizamiento se perforó la tapa corona con el penetrador, seguidamente se agitó
vigorosamente el conjunto (equipo + botella). Con la presión indicada en el manómetro y la
temperatura del líquido medido después del ensayo, se obtiene el valor mediante cálculos o
mediante la “tabla del volumen de carbonatación”, presentado en el (anexo 9.1).
Muestras de carbonatación sin carga: Las muestras asignadas se coronaron y
posteriormente fueron introducidas al enfriador por 24 horas, posteriormente se dejan reposar
hasta alcanzar una temperatura comprendida entre 19 °C y 21 °C. Finalmente se realizó el mismo
procedimiento que se empleó en las muestras iniciales para determinar el volumen de
carbonatación.
Muestras de carbonatación con carga: Las muestras después del coronado se colocaron
en el sistema de la figura 4.14 y a cada una de las botellas se le colocó un peso que generaba una
carga de 45 Kg. Se mantuvieron las botellas por 72 horas en el sistema, luego se les retiraron los
pesos a cada una y se introdujeron en el enfriador por 24 horas, transcurrido este tiempo se
retiraron del enfriador y se dejaron reposar hasta alcanzar una temperatura comprendida entre
36
___________________________________________________________________________
19°C y 21°C. Finalmente se verificó el cierre nuevamente de la botella y se aplicó el
procedimiento de las muestras iniciales para medir el volumen de carbonatación.
Figura 4.13 Equipo de medición de retención de carbonatación.
Figura 4.14 Sistema y montaje de las muestras de carbonatación con carga.
4.8. Análisis de costo de la materia prima (Hojalata) 0,22mm Vs. 0,21mm
El análisis de costo constituye un factor importante que debe ser considerado en todo
estudio de factibilidad. La disminución del espesor en una centésima de milímetro parece
insignificante, pero cuando se habla de un consumo anual de 18000 Toneladas de hojalata de
37
___________________________________________________________________________
espesor 0,22 mm, este hecho adquiere grandes dimensiones, por lo tanto amerita un análisis más
profundo y detallado.
Para llevar a cabo dicho análisis de costo, fue necesario recopilar una serie de informaciones
tales como:
•
Cantidad anual de toneladas de hojalata de espesor 0,22mm según sistema SAP (Sistemas,
Aplicaciones y Productos)
•
Dimensiones de lámina según especificaciones técnicas “Lamina para Tapas Corona”[31]
•
Densidad de la hojalata (densidad promedio del acero).
•
Costo por tonelada de hojalata estañada E11 0,22mm T-4 según sistema SAP.
Con dicha información se hallaron los volúmenes de una lámina tanto para el material
0,22mm como para el 0,21mm, por medio de la siguiente relación, ver apéndice 4.2:
V = L. A.e
(8)
donde, V es el volumen, L se refiere a el largo, A el ancho y e es el espesor, todos referidos a la
lámina en estudio.
Posteriormente se calculó la masa de cada lámina según los espesores a evaluar, utilizando la
ecuación:
ρ=
m
V
(9)
donde, ρ es la densidad promedio del acero, m la masa y V el volumen de lámina.
Relacionando el precio unitario de una tonelada de hojalata 0,22mm y la cantidad anual de
hojalata consumida, se obtienen el monto total en Bs. al año, mediante la ecuación (13), como se
puede observar en el apéndice 8.2. Posteriormente se calculó la cantidad total de láminas 0,22mm
38
___________________________________________________________________________
consumidas anualmente, y utilizando la relación (14) del apéndice 8.2, se determinó el consumo
de 0,21mm que se daría al sustituir el consumo por ese espesor. Luego con esa cantidad de
toneladas 0,21mm y el precio de la tonelada se determinó en monto total en Bs. Finalmente para
saber el ahorro, se calculó la diferencia entre el monto total anual en Bs. cuando se emplean
láminas con espesor 0,22mm menos el monto anual en Bs. que se consumiría con el espesor
0,21mm.
39
___________________________________________________________________________
V.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
A continuación se presentan los resultados obtenidos de las evaluaciones realizadas a la
hojalata estañada con recubrimiento E11 y un tratamiento termomecánico T-4 de espesores
0,21mm y 0,22mm en relación a su composición química, sus propiedades mecánicas,
morfológicas y microestructurales, así como también la evaluación del desempeño e impacto
económico de estos materiales en la elaboración de la tapa corona. Dichos resultados y análisis
son clasificados en cuatro grandes grupos de acuerdo a los siguientes criterios:
•
Características de los materiales en condiciones de entrega en relación a su
composición química, sus propiedades mecánicas y microestructurales.
•
Comportamiento de los materiales en estudio durante el proceso de fabricación de la
tapa corona.
•
Características del desempeño de la tapa corona fabricada con hojalata estañada E11
0,22 mm T-4 y 0,21 mm T-4.
•
Impacto económico de la sustitución de la hojalata de espesor 0,22mm; por hojalata
de menor espesor 0,21mm.
5.1. Caracterización de los materiales en relación a la composición química
El análisis químico promedio de las láminas de hojalata estañada E11 T-4 de espesores
0,22mm y 0,21mm se presenta en la tabla 4.1. Se puede apreciar que es un acero con un
contenido de 0,06% de carbono y que además posee menos de 1% de otros elementos aleantes,
entre los cuales destacan el manganeso (0,18%), aluminio (0,036%), silicio (0,012%) entre otros.
El aluminio presente, proviene de su uso como agente desoxidante durante el control de la colada
de acero, el cual actúa posteriormente como refinador de grano y promueve la formación de
texturas cristalográficas necesarias para el conformado en frío de las láminas de acero una vez
recocidas
[32]
. El acero empleado según certificado de calidad proporcionado por el proveedor
40
___________________________________________________________________________
SIDOR, se elabora bajos las características de un acero tipo MR bajo norma COVENIN
1589:2003 [6], las cuales son presentadas en la tabla 3.1. Comparando los valores proporcionados
en el certificado de calidad y los del acero tipo MR, se puede apreciar que el acero en estudio se
encuentra dentro de las especificaciones de la norma, ya que todos los elementos tienen un
porcentaje por debajo al máximo permitido, así como también tienen la proporcionalidad
adecuada.
Este acero tiene como características principales un contenido bajo de porcentaje de
elementos residuales y una buena resistencia a la corrosión. Es el más común en el mercado y
utilizado para propósitos generales, principalmente a cuerpos y fondos de envases que requieren
una resistencia relativamente alta y en el caso específico, también para la elaboración de la tapa
corona.
5.2. Caracterización de los materiales por microscopía óptica
Los principales rasgos microestructurales de los materiales en condiciones de entrega,
fueron observados por microscopía óptica, y se presentan en las figuras 5.1 y 5.2, para los
materiales de espesor 0,21mm y 0,22mm, respectivamente. En ambas figuras, se presentan las
tres superficies en estudio preparadas metalográficamente, denominadas superficies longitudinal,
transversal y normal, las cuales son definidas tomando como referencia el sentido de laminación.
Se puede observar tanto en la figura 5.1 como la figura 5.2 una microestructura
constituida mayoritariamente por granos de ferrita, que bajo condiciones de equilibrio
termodinámico mostrado en un diagrama hierro-cementita, alcanzaría aproximadamente el 93%
en peso. En cuanto a la morfología, en las secciones normales y transversales se aprecian granos
equiaxiales, mientras que para la sección longitudinal se aprecia granos ferríticos alargados en la
misma dirección de la laminación. Este tipo de microestructuras es común en aceros con bajo
contenido en carbono y elementos aleantes, ya que están constituidos mayoritariamente por
hierro, que en el caso específico del acero estudiado corresponde al 99,74% en peso.
41
___________________________________________________________________________
Figura 5.1 Microestructura del acero estudiado de láminas de espesor 0,21mm T-4. (a) Sección transversal, (b)
sección longitudinal y (c) sección normal. Microscopía óptica 500X.
El proceso productivo para la obtención de las láminas en estudio es el mismo, ya que
ambos materiales fueron solicitados al proveedor con las mismas propiedades, siendo la única
diferencia el espesor nominal. Por esta razón la gran similitud entre las fotomicrografias
obtenidas para diferentes láminas en estudio.
La activación de los sistemas de deslizamientos presentes en la estructura cristalina cúbica
centrada en el cuerpo (bcc) de la ferrita [32], permite obtener altos grados de deformación plástica
durante el embutido de la tapa corona. El aspecto de granos alargados se evidencia con mayor
claridad en las figuras 5.1b y 5.2b correspondientes a las secciones longitudinales de la lámina.
La razón por la cual estos granos se encuentran alargados se debe al efecto hereditario de la
textura de deformación, ocurre un crecimiento preferencial de los nuevos granos recristalizados.
Por otra parte, en relación a la sección longitudinal, también se puede apreciar que los
granos son más alargados en el espesor 0,21mm que en el 0,22mm esto se debe a que para llegar
42
___________________________________________________________________________
a espesores más bajos se requiere una mayor deformación del material previo al recocido para
lograr el espesor requerido. A mayor deformación, mayor energía almacenada y mayor número
de sitios de nucleación de granos de ferrita.
Figura 5.2 Microestructura del acero estudiado de láminas de espesor 0,22mm T-4. (a) Sección transversal, (b)
sección longitudinal y (c) sección normal. Microscopía óptica 500X.
En la microestructura de los dos materiales se aprecia la presencia como segunda fase la
cementita, la cual altera considerablemente los mecanismos de deformación de la ferrita, ya que
al presentar mayores valores de dureza con respecto a la ferrita, se deforma en menor grado y
actúa como fuente generadora de nuevas dislocaciones y por consiguiente incrementa la energía
total almacenada en el material
[33]
. Sin embargo, la presencia de estas estructuras fue escasa,
observándose frecuentemente cementita precipitada a lo largo de los bordes de grano ferríticos,
formando redes continuas, como las presentadas en la figura 5.1b y 5.2b. Probablemente, la
transición de estructuras laminares perlíticas a cementita precipitada obedece en primer lugar al
grado de subenfriamiento y al bajo contenido en carbono presente en el acero en estudio.
43
___________________________________________________________________________
5.3. Análisis Estereológico
El tamaño de grano ferrítico promedio en las tres direcciones principales respecto a la
laminación de los material estudiados, fue calculado empleando el método del intercepto de
Heyn, y por otra parte, empleando la relación (3) se calculó el tamaño de grano global promedio,
dichos resultados se presentan en la tabla 5.1 en donde (dDN) expresa el tamaño de grano
promedio en dirección normal al sentido de laminación, (dDL) la dirección longitudinal, (dDT) la
dirección transversal y (Dprom) es el tamaño promedio global.
Tabla 5.1 Características estereológicas del tamaño de grano del acero espesor 0,22mm y 0,21mm.
Espesor del Acero E11 T-4
ØDN [µm] ØDL [µm] ØDT [µm] Øprom [µm]
±σ
0,22mm
5.66
4.92
4.88
5.15
0.27
0,21mm
6.12
4.86
4.57
5.18
0.31
Como se puede apreciar en los resultados el tamaño de grano para ambos materiales es
muy similar, el promedio global para el espesor 0,22 mm fue de 5,15 µm mientras que para el
espesor 0,21 mm un promedio de 5,18 µm. Esta leve diferencia en el tamaño de grano para el
espesor menor viene contribuido principalmente por el tamaño de grano en la dirección normal al
plano de laminación como se aprecia en la tabla 5.1, el cual tiene un valor de 6,12 µm. Son
prácticamente iguales, la diferencia no es significativa y puede ser atribuida a errores en la
medición.
5.4. Ensayo de Dureza Superficial
Para cada uno de los materiales en estudio se realizaron mediciones de dureza superficial,
tomando en cuenta lo que dicta la norma ASTM E18-03 para los espesores en estudio, por tal
razón se tomó la escala de Dureza Superficial Rockwell 30T. Estos resultados son mostrados en
la tabla 5.2, para cada espesor de lámina y en las zonas donde se tomaron las mediciones en
relación al sentido de laminación.
44
___________________________________________________________________________
Tabla 5.2 Valores de dureza superficial Rockwell 30T de la hojalata estañada T-4 en condiciones de entrega
espesores 0,21mm y 0,22mm
Corte de Lámina
Valor Dureza Superficial Rockwell (30T)
Esp. COVENIN 1589-2003 T-4
0,22 mm
0,21 mm
61 ± 4
Borde
Centro
Borde
Promedio
58.7
58.6
59.1
58.8
58.6
59.0
58.4
58.7
√
√
√
√
Se aprecia que los valores tanto individuales como promedios de cada uno de los
materiales en estudio, son similares y se encuentran dentro de la especificación de la norma
COVENIN 1589-2003. De acuerdo a los tratamientos termomecánicos asociados al proceso de
fabricación de las láminas de hojalata en estudio, se infiere que la dureza de los materiales es
homogénea en toda la superficie de la lámina tanto para el espesor 0,22mm como para el
0,21mm, a consecuencia de la distribución uniforme de las deformaciones plásticas. Tomando en
cuenta lo anteriormente descrito, se puede afirmar que el valor de dureza promedio obtenido para
el espesor de lámina 0,22mm fue de (HR30T 58,8), mientras que para el espesor 0,21mm fue de
(HR30T 58,7).
La dureza final del material proporcionado por SIDOR mediante el tratamiento termomecánico de Temper, le confiere a las láminas 0,22 mm T-4 y 0,21mm T-4 el grado de dureza
requerido por el cliente. Finalmente se puede decir tomando en cuenta los valores de dureza, que
la sustitución de la lámina de acero de espesor 0,22mm por láminas de 0,21mm es posible, ya que
dichos valores se encuentran dentro de las especificaciones.
5.5. Ensayos de tracción uniaxial
A partir de los ensayos de tracción se obtiene información relacionada con la resistencia,
rigidez y ductilidad del material. El comportamiento elástico-plástico de los aceros en estudio
para los espesores 0,22mm y 0,21mm en condiciones de entrega, cuando son sometidos a una
prueba de tensión uniaxial aplicados sobre probetas extraídas de las láminas a 0º, 45º y 90º
respecto al sentido de laminación, se muestra en las figuras 5.3 y 5.4 respectivamente.
45
___________________________________________________________________________
Las curvas de resistencia-elongación para ambos materiales presentan un comportamiento
muy similar en las direcciones transversales, diagonales y paralelas respecto al sentido de
laminación en relación a la resistencia máxima y el esfuerzo de fluencia. Por otra parte se puede
inferir que las propiedades mecánicas a tracción desarrolladas en los materiales en estudio,
presentan características anisotrópicas, ya que el porcentaje de elongación es diferente para cada
una de las tres direcciones consideradas para las pruebas de tensión. La razón por la cual se
presenta estas diferencias, se debe fundamentalmente a la orientación cristalográfica preferencial
o textura de recristalización desarrollada en los materiales recocidos.
Por otra parte, el porcentaje de elongación en el material 0,22 mm es mayor en la
dirección paralela al sentido de laminación, aproximadamente de un 18%, en comparación con el
espesor 0,21 mm como se aprecia en la figura 5.4 con un valor máximo de 17% y de manera
decreciente se observa la dirección diagonal y finalmente la transversal. Debido a que la
composición química de ambos materiales es similar y el proceso de fabricación es el mismo, se
atribuye esta diferencia en el porcentaje de elongación a la mayor área transversal perpendicular
al esfuerzo aplicado que posee el material con espesor 0,22mm, ya que mayor será la
deformación plástica alcanzada.
600
Resistencia [MPa]
500
400
300
200
Dirección paralela (0º)"
100
Dirección diagonal (45º)
Dirección t ransversal (90º)
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
% Elongación
Figura 5.3 Curvas esfuerzo – deformación de la hojalata estañada con espesor de 0,22mm en condiciones de entrega,
para 0º, 45º y 90º respecto a la dirección de laminación
46
___________________________________________________________________________
600
Resistencia [MPa]
500
400
300
200
Direcció n paralela (0º)
100
Direcció n transversal (90º)
Direcció n diago nal (45º)
0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
% Elongación
Figura 5.4 Curvas esfuerzo – deformación de la hojalata estañada con espesor de 0,21mm en condiciones de entrega,
para 0º, 45º y 90º respecto a la dirección de laminación
En relación a las propiedades mecánicas de los aceros ensayados en condiciones de
entrega, fueron determinadas a partir de la figura 5.3 para el espesor 0,22mm y la figura 5.4 para
el espesor 0,21mm, dichas propiedades son presentados en la tabla 5.3 y 5.4 respectivamente,
para cada uno de los materiales. Los valores de esfuerzo de fluencia y esfuerzo máximo para
ambos materiales se asemejan en gran parte en las tres direcciones ensayadas y también entre los
materiales en cuestión.
Tabla 5.3 Propiedades mecánicas para hojalata estañada espesor 0,22 mm en condiciones de entrega.
Propiedades
Esfuerzo Fluencia [MPa]
Esfuerzo Máximo [MPa]
% Elongación
0º
468
479
17.9
45º
470
481
15.1
90º
479
487
5.3
Promedio
472
482
13.4
Sin embargo, cabe destacar que en la dirección perpendicular con respecto a la laminación
del acero, se obtuvieron los mayores valores del esfuerzo máximo y del esfuerzo de fluencia en
comparación con los encontrados en las direcciones longitudinales y diagonales. Estas diferencias
obedecen principalmente a los rasgos microestructurales y a la textura cristalográfica presente,
los cuales confieren al material características anisotrópicas en cuanto a sus propiedades
mecánicas [32]. En los valores obtenidos en el tamaño de grano de la tabla 5.1 se aprecia que en la
47
___________________________________________________________________________
dirección perpendicular al sentido de laminación se obtuvo un tamaño de grano más pequeño lo
que trae como consecuencia que el número de bordes de grano sea mayor en comparación al
número de bordes de grano para la dirección paralela. Como los bordes de grano son lugares de
alto desorden cristalino en donde se concentran fácilmente partículas de segundas fases,
impurezas e inclusiones, los cuales obstaculizan el movimiento de las dislocaciones. Entonces,
es de esperar que las muestras correspondientes a la dirección perpendicular de los materiales de
espesor 0,22 mm y 0,21mm se obtengan mayores valores de resistencia mecánica [33,34], como se
observa en las tablas 5.3 y 5.4.
Tabla 5.4 Propiedades mecánicas para hojalata estañada espesor 0,21 mm en condiciones de entrega.
Propiedades
Esfuerzo Fluencia [MPa]
Esfuerzo Máximo [MPa]
% Elongación
0º
459
464
16.8
45º
464
470
14.7
90º
477
485
5.7
Promedio
466
472
13
En líneas generales, se tiene un acero que constituye a ambos materiales de espesores
0,22mm y 0,21mm con propiedades mecánicas muy semejantes, en relación a su resistencia
máxima, esfuerzo de fluencia y promedio de % de elongación para las tres direcciones, lo que
permite afirmar que el material con espesor de 0,21mm posee las condiciones que permiten
obtener igual desempeño que el material con espesor 0,22mm.
5.6. Comportamiento de los materiales durante el proceso de fabricación de tapa corona
La disminución del espesor 0,22mm T-4 a 0,21mm T-4 de las láminas de hojalata para la
fabricación de tapa corona, fue analizada en las etapas más vulnerables a ocasionar variaciones en
sus características, propiedades y variables del proceso, que posteriormente se podrían convertir
en factores que afectarían la calidad del producto final.
5.6.1. Control dimensional de tapa corona
El control dimensional de la tapa corona esta relacionado con la etapa de embutido y
troquelado, los parámetros medidos después de conformada la tapa corona fueron la altura y el
48
___________________________________________________________________________
diámetro externo de la misma. Parámetros estos que si no se encuentran dentro de las
especificaciones de la tapa, pueden ocasionar algún defecto dimensional que impida un buen
desempeño de la misma a la hora de ser colocada en una botella.
En relación a la altura de la tapa corona, se observa en la figura 5.5 un comportamiento
análogo en todos los formadores de tapa, donde la mayor deformación se obtiene para el material
con menor espesor, es decir que el comportamiento sin modificar ninguna de las variables de la
máquina, es que a menor espesor de lámina, mayor altura se obtiene en la tapa corona.
6,05
Altura [mm]
6,00
5,95
5,90
5,85
5,80
1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
Nº de Formador
Espesor 0,21 mm
Espesor 0,22 mm
Espesor 0,245 mm
Figura 5.5 Altura de tapa corona para diferentes espesores de lámina según el número de formador.
El comportamiento de la altura que se aprecia en la figura 5.5, es el esperado ya que la
resistencia a deformase que opone el material de menor espesor es menor que la resistencia que
opone los materiales de mayores espesores. Por consiguiente es prescindible que al momento de
cambiar de espesor de lámina en la etapa de embutido y troquelado, se realicen los ajustes
pertinentes que se encuentran a pie de máquina de cada uno de los módulos, para así obtener la
dimensión de la altura dentro de las especificaciones dadas.
Se aprecia por otra parte, que probablemente exista un desgaste en el herramental de la
máquina, ya que los valores de altura no son homogéneos en los 27 formadores de tapa. Cabe
acotar, que esta variación puede ser significativa, si se comparan con el rango de las
49
___________________________________________________________________________
especificaciones de altura la cual es de 0.305 mm y la diferencia que existe es de
aproximadamente 0,13mm entre el máximo y mínimo, según datos mostrados en la figura 5.5.
Se sugiere que al momento de realizar el mantenimiento a cada uno de los troqueles, se
realicen mediciones dimensionales al herramental de embutido y troquelado con la finalidad de
llevar un histórico que controle el desgaste de las piezas, para así tener una mayor homogeneidad
en las dimensiones de tapa y por consiguiente un producto final más confiable.
Otro de los parámetros estudiados en relación a las dimensiones de la tapa corona, fue el
diámetro externo de la tapa. Dicho parámetro está intrínsecamente relacionado con la falda de la
tapa la cual se define como la parte inferior lateral de la tapa corona, que posee una serie de
corrugaciones con un ángulo de inclinación específicamente diseñado para dar eficiencia en el
sellado [2].
Los resultados obtenidos en relación al diámetro externo se observan en la figura 5.6,
donde se aprecia un comportamiento repetitivo en cada uno de los formadores de tapa, en donde
la lámina en líneas generales, cuando las variables de operación del equipo de embutición y
troquelado se mantienen constantes, se obtuvo que a mayor espesor de la lámina empleada,
Diámetro externo [mm]
mayor es el diámetro externo de la tapa corona.
32,20
32,15
32,10
32,05
32,00
31,95
31,90
31,85
31,80
31,75
31,70
1
3
5
7
9
11
13
15 17
19
21
23
25
27
Nº de Form ador
Espesor 0,21 mm
Espesor 0,22 mm
Espesor 0,245 mm
Figura 5.6 Diámetro externo de la tapa corona para diferentes espesores de lámina según el número de formador
50
___________________________________________________________________________
Este resultado se explica, ya que el material en el momento del proceso de embutición
está sometido a diferentes tipos de deformación, la parte central de la tapa debajo del punzón se
alarga en dos direcciones y tiene tendencia a reducir el espesor. Mientras que el costado de la
tapa (falda de la tapa corona) se presenta un alargamiento considerable debido a un esfuerzo
biaxial de tensión, con tendencia a reducir el espesor de lámina
[15,16]
. Es por está razón que las
láminas con mayor espesor tienen un alargamiento mayor por tener más cantidad de material por
unidad de área al momento de deformarse.
Es importante inducir en el material una apropiada orientación preferencial de los
sistemas de deslizamiento cristalinos, con respecto al eje principal de aplicación de esfuerzos
externos (textura cristalográfica) para que se deforme en mayor proporción en el plano de la
lámina y ocurra poca reducción de espesor, es decir, generar un elevado nivel de anisotropía
plástica (r) [15,17].
5.6.2. Dureza en el proceso de troquelado y ensamblado de tapa corona
Un factor que es determinante en las características finales de la tapa corona, es la dureza,
ya que ésta juega un papel fundamental en el desempeño de la tapa. Mediante un análisis de todas
las etapas del proceso de fabricación de tapa corona, se determinó que las fases propensas en
general a algún cambio en la dureza del material eran el troquelado y ensamblado.
En la etapa del troquelado o conformado de la tapa corona existe una deformación plástica
del material, es decir, un trabajo en frío. En dicha etapa se evaluó la dureza de los materiales con
distintos espesores como se aprecia en la tabla 5.5, en la cual se observa que la dureza aumentó
en relación a la que presenta el material en condiciones de entrega. Por otra parte, si se compara
la dureza obtenida para ambos espesores, se puede observar que la dureza en el espesor 0,22mm
se incremento más que para el espesor de 0,21mm.
Analizando los resultados obtenidos en relación a la dureza en la etapa de conformado, se
aprecia un comportamiento esperado, ya que cuando se habla de un trabajo en frío esto conduce a
51
___________________________________________________________________________
un endurecimiento por deformación.
Tabla 5.5 Valores de dureza superficial Rockwell 30T de tapa corona conformada de espesor 0,21mm y 0,22mm
Muestras
0,22 mm
0,21 mm
Valor Dureza Superficial Rockwell (30T)
Promedio
Desviación Estándar
64.9
0,836
62.4
0,745
El endurecimiento por deformación es un fenómeno por el cual un metal dúctil se hace
más duro y resistente a medida que es deformado plásticamente. Se obtiene cuando se incrementa
el número de dislocaciones, este incremento ocurre cuando se aplica un esfuerzo superior al
límite elástico, las dislocaciones empiezan a deslizarse sobre un plano de deslizamiento
encontrando obstáculos, los cuales ocasionan la formación de nuevas dislocaciones, cuanto más
dislocaciones existan, más probable que interfiera unas con otras y el metal tenga mayor dureza y
resistencia [35].
Por dicha razón se explica porque la dureza de la tapa corona se incrementa después de
haber sido deformada plásticamente en la etapa de conformado. Por otra parte, la dureza se
incrementa más en el espesor 0,22mm que en el de 0,21mm, ya que el de mayor espesor opone
mayor resistencia a ser deformado.
Otra de las fases analizadas en el estudio de la dureza durante el proceso de fabricación de
tapa corona, fue posterior a la dosificación de PVC, ya que en esa etapa ocurre un calentamiento
de la misma alrededor de los 120 ºC por un tiempo que no excede los 60 seg. En la tabla 5.6, se
aprecia la dureza obtenida para los dos espesores en estudio, para el espesor utilizado actualmente
se obtuvo una dureza de 64,9 HR30T, mientras que para el espesor 0,21mm un valor de dureza de
62,7 HR30T.
Los resultados obtenidos evidencian que no existe modificación de la dureza en dicha
etapa, por consiguiente la temperatura en esa fase del proceso no interviene en la modificación de
las propiedades mecánicas ya que el tiempo de exposición a la temperatura de 120 ºC es muy
corto. Cabe destacar que la tapa corona al salir del extrusor dosificador pasa por un túnel de
52
___________________________________________________________________________
enfriamiento el cual disminuye significativamente la temperatura de la misma cercana a la
temperatura ambiente.
Tabla 5.6 Valores de dureza superficial Rockwell 30T en tapas corona espesores 0,22mm y 0,21mm posterior al
conformado de PVC
Muestras
0,22 mm
0,21 mm
Valor Dureza Superficial Rockwell (30T)
Promedio
Desviación Estándar
64.9
0,785
62.7
0,967
5.6.3. Peso de la Empacadura de PVC
La dosificación de PVC en las muestras que se evaluaron tanto para el espesor 0,22mm
como para el 0,21mm, se presentan en la tabla 5.7. Se aprecia que el valor promedio para cada
uno de los espesores es muy similar y se encuentran dentro de la especificación. Los valores de
los diferentes espesores en estudio están más cercanos hacia el mínimo, esto se debe a que los
equipos automatizados y controlados por el personal de planta, son valorados dentro del rango
más bajo de la especificación, para así tener un menor consumo de PVC y por consiguiente un
ahorro económico.
Tabla 5.7 Peso promedio de empacaduras de PVC para tapas corona espesores 0,22mm y 0,21mm
Peso Empacadura de PVC [mg]
Muestras
0,22 mm
0,21 mm
Promedio
Especificación 205 - 235
210.5
209.7
√
√
La evaluación que se realizó midiendo el peso de la empacadura, tuvo la finalidad de
garantizar que los estudios posteriores de desempeño de la tapa corona no estuviesen
influenciados por esta variable, la cual determina la cantidad de dosificación del material sellante,
con el propósito de asegurar la hermeticidad entre la tapa corona y la boca del envase de vidrio.
53
___________________________________________________________________________
5.7. Características del desempeño de las tapas coronas en estudio
La sustitución o variación de alguno de los componentes de la material prima para la
elaboración de cualquier producto, requiere un análisis y estudio detallado, con la finalidad de
conocer las implicaciones que tiene dicha modificación sobre la calidad del producto. En
Cervecería Polar Planta “Metalgráfica” existe un laboratorio destinado a cumplir estas labores,
llamado “Laboratorio de Aseguramiento de la Calidad Tapas” y se encarga de evaluar y realizar
seguimientos a la materia prima, proceso de fabricación y producto final de la tapa corona.
El proyecto de factibilidad de disminución de espesor implica una modificación en la
materia prima; las láminas de hojalata empleadas tendrían una centésima de milímetro menos de
espesor, por consiguiente fue necesario evaluar el desempeño de este nuevo espesor y compararlo
con el actual.
5.7.1. Pérdida de Presión Interna
Todo recipiente que se diseña tiene un margen de seguridad dependiendo de la aplicación
y las condiciones a las cuales vaya a estar sometido. Por ello, es necesario simular las
condiciones más extremas, por ejemplo, cuando se agita la bebida o cuando aumenta la
temperatura de la misma, para así determinar la efectividad del sellado de la tapa corona. Esto se
consigue mediante la inyección de un gas inerte necesario para originar la fuga a través del cierre
tapa-botella, y determinar de esta manera que los resultados se encuentren dentro del rango de
seguridad establecido, es decir que cumplan con las especificaciones que permita preservar la
calidad del producto.
La simulación de las condiciones a las cuales está sometida la tapa corona se evaluaron
para los espesores en estudio 0,22mm y 0,21mm. El desempeño en lo que concierne a la pérdida
de presión interna, se puede apreciar en la tabla 5.8, donde se observa que en ambos espesores se
cumple con las especificaciones exigidas por el cliente. Por otra parte, las muestras ensayadas sin
pasteurizar alcanzaron la máxima presión interna de ensayo sin que ocurriera fuga, mientras que
54
___________________________________________________________________________
para las muestras pasteurizadas el promedio de fuga se ubicó en 1100 kPa, es decir que a esa
presión ocurrió en varias oportunidades la falla, tanto para las tapas de espesor 0,22mm como
para las de 0,21mm.
Tabla 5.8 Perdida de presión interna para muestras de tapa corona espesores 0,22 mm y 0,21mm
Pérdida de Presión Interna [kPa]
Muestras
Sin Pasteurizar
Aprobación ≥ 690
Pasteurizada
Aprobación ≥ 690
1100
1100
√
√
1100
1100
√
√
0,22 mm
0,21 mm
Para la realización de los ensayos de pérdida de presión interna, también se verificó el
diámetro de coronado y el peso de empacadura, para así constatar que se encontraban dentro de
las especificaciones. Como se aprecia en la tabla 5.9, los valores de las muestras analizadas tanto
pasteurizadas como sin pasteurizar se encuentran dentro del rango de aprobación del cliente de
Cervecería Polar, con lo cual se determina que los resultados obtenidos para pérdida de presión se
realizaron en condiciones iguales y dentro de especificación, tanto para el espesor de tapa
0,22mm como para 0,21mm.
Tabla 5.9 Pérdida de Presión. Control de cierre del coronado y peso de empacadura
Muestras
Ø Coronado [mm]
Peso Empacadura [mg]
Sin Pasteurizar
Pasteurizada
Especificación
28,58 – 28,70
28.65
28.68
28.68
28.65
√
√
0,22 mm
0,21 mm
Sin Pasteurizar
Pasteurizada
Especificación
205 - 235
206.9
207.2
211.6
209.3
√
√
Cabe acotar que en ensayos paralelos realizados en la planta para la producción regular de
tapa corona 0,22mm, se observó una leve tendencia a la disminución de la resistencia a la presión
interna luego del pasteurizado. Por consiguiente, se deben tomar en cuenta varios factores para
una buena ejecución del ensayo de “Perdida de Presión”, dichos factores se mencionan a
continuación:
55
___________________________________________________________________________
•
El diámetro de coronado: para tener un cierre de la botella que sea lo más homogéneo
posible en las muestras a evaluar.
•
El atemperamiento de las muestras a ensayar: en el pasteurizado la temperatura
alcanzada es de 70 ºC aproximadamente, temperatura suficiente para que ocurra el
reblandecimiento del PVC que comienza a unos 40 ºC generando pérdidas de las
propiedades que pueden conducir a una fuga a presiones inferiores.
•
El estado de las botellas a ensayar: se debe verificar que los bordes de las botellas se
encuentren en buen estado y en caso de no estarlo, reemplazarlas periódicamente para
evitar desgaste o imperfecciones que ocasionen fugas que alteren los resultados.
5.7.2. Retención de Carbonatación (CO2)
Las bebidas carbonatadas contienen un volumen de gas carbónico que debe ser retenido
por el recipiente que lo contiene; dicho conjunto de envase + tapa debe mantener el volumen de
gas, tanto para bebidas carbonatadas pasteurizadas, no pasteurizadas y sometidas a una carga.
Los resultados de los ensayos realizados en el laboratorio concernientes a las pruebas de
carbonatación sin carga se observan en la tabla 5.10, tanto para el espesor utilizado actualmente
como para el sugerido. En relación a las pruebas iniciales, los valores difieren del volumen de
carbonatación 3 asignada para estos ensayos, esta variación es ocasionada por pérdidas al
momento del cierre. Cuando se añaden las pastillas de bicarbonato de sodio a la botella,
enseguida ocurre la reacción química y se empieza a liberar el gas, esto ocurre en el tiempo que
transcurre desde el momento que se añaden las pastillas hasta que se corona la botella. Sin
embargo, lo importante es la diferencia que existe entre la carbonatación inicial y la
carbonatación sin carga, que como se puede observar en la tabla 5.10, se mantuvo casi inalterable
y la variación no es significativa. Cabe destacar que tanto para el espesor 0,22mm como para
0,21mm los valores obtenidos se encuentran dentro de la especificación, lo cual indica que no se
debe perder más de 0,2 volúmenes de gas. Cabe destacar que el volumen de carbonatación es una
medida adimensional, por ésta razón no tiene unidades.
56
___________________________________________________________________________
Tabla 5.10 Volumen de Carbonatación para muestras de tapa corona espesores 0,22mm y 0,21mm Sin Carga
Volumen de Carbonatación
Muestras
Inicial
Sin Carga
∆V
Aprobación ≤ 0.2
0,22 mm
2.67
2.65
0.02
√
0,21 mm
2.62
2.61
0.01
√
Los resultados obtenidos en los ensayos de carbonatación con carga se aprecian en la tabla
5.11, donde se observa una caída en los valores obtenidos de volumen de gas carbónico en
comparación con los iniciales. Para el caso del espesor 0,22mm la variación se ubicó en 0,13,
mientras que para el espesor 0,21mm la variación fue de 0,17.
Tabla 5.11 Volumen de Carbonatación para muestras de tapa corona espesores 0,22mm y 0,21mm Con Carga
Volumen de Carbonatación
Muestras
Inicial
Con Carga
∆V
Aprobación ≤ 0.4
0,22 mm
2.67
2.54
0.13
√
0,21 mm
2.62
2.45
0.17
√
La caída en el volumen de gas carbónico que se presenta cuando las muestras son
sometidas a una carga prolongada, se debe a que las fuerzas axiales de compresión de la tapa
corona generan un efecto de expansión en la falda corrugada de la tapa, este efecto se observa en
la figura 5.7. Este hecho tiene como consecuencia una fuga del volumen de gas carbónico, el cual
se evidenció en el momento de retirar las muestras del sistema de carga prolongada. La variación
en el volumen de gas es mayor en el espesor de 0,21mm ya que este material proporciona menos
resistencia a la deformación. Cabe destacar que ambos materiales tienen el mismo tratamiento
termo-mecánico de Temper-4. Se recomienda que en estudios futuros se realice una comparación
de estos materiales pero variando el tratamiento termo-mecánico (aumentando en el caso de
0,21mm a Temper-5).
57
___________________________________________________________________________
Figura 5.7 Efecto que se genera en la tapa corona cuando se somete a una carga prolongada
Para la realización de los ensayos de retención de carbonatación, también se verificó el
diámetro de coronado y el peso de la empacadura, para así constatar que se encontraban dentro de
las especificaciones. Como se observa en la tabla 5.12, los valores de las muestras analizadas
tanto con carga como sin carga, se encuentran dentro del rango de aprobación del cliente de
Cervecería Polar, con lo cual se determina que los resultados obtenidos para la retención de
carbonatación se obtuvieron en condiciones iguales y dentro de especificación, tanto para el
espesor de tapa 0,22mm como para 0,21mm.
Tabla 5.12 Volumen de Carbonatación. Control de cierre del coronado y peso de empacadura
Muestra
0,22 mm
0,21 mm
Ø Coronado [mm]
Peso Empacadura [mg]
Inicio
Sin
Carga
Con
Carga
Especificación
28,58 – 28,70
Inicio
Sin
Carga
Con
Carga
Especificación
205 - 235
28.63
28.59
28.58
28.59
28.60
28.61
√
√
214.1
212.4
211.6
209.7
208.3
213.3
√
√
5.8. Impacto económico de materia prima (Hojalata)
La política de cualquier empresa que quiera ser próspera y productiva, debe estar
enmarcada en un análisis y estudio de factores que intervienen en su presupuesto. Una empresa
organizada debe tener un sistema presupuestario adecuado, que le permita comparar metas
establecidas con los logros y tomar las medidas correctivas más adecuadas en aquellos casos en
que existan desviaciones.
58
___________________________________________________________________________
Cervecería Polar planta “Metalgráfica” con la finalidad de analizar uno de los factores
determinantes en el presupuesto de costo de producción, tomó la iniciativa de estudiar la
factibilidad en la sustitución de la materia prima hojalata de espesor actual 0,22mm por una de
espesor 0,21mm.
En la disminución del espesor de lámina en una centésima de milímetro parece
insignificante, pero cuando se trata de un consumo anual de 18.000 toneladas de hojalata 0,22mm
la disminución del espesor representa grandes cantidades en ahorro económico. A continuación,
en la tabla 5.13 se presenta el ahorro en toneladas/año que implicaría dicho cambio.
Tabla 5.13 Consumo anual y ahorro estimado de toneladas de hojalata al año para espesores 0,22mm y 0,21mm
Espesor de Lámina
0,22 mm
0,21 mm
Ahorro en Toneladas
Consumo Promedio de Toneladas/Año
18.000
17.235
765
La disminución en el consumo de toneladas no sólo implica un ahorro económico como se
demostrará más adelante, sino que también involucra un ahorro en el espacio físico dentro de la
planta. Las 765 toneladas en ahorro anual ocuparían un espacio físico de aproximadamente 96
m2, si bien no se comprarían en una sola orden de compra, igualmente implicarían un espacio que
se puede aprovechar en algo productivo para la empresa.
Otro factor que implícitamente está relacionado con este ahorro, es la utilidad neta del
producto final, llámese producto final a la cerveza o bebida carbonatada, ya que al tener menos
costos de producción, mayores ganancias se obtendrán y los beneficios de la disminución del
espesor de lámina para la elaboración de tapa corona serán más fructíferos.
Este cambio en la disminución de espesor de lámina, representa un ahorro del 4,3% anual.
En la figura 5.8 se puede observar el presupuesto anual que se tiene con el espesor 0,22mm y el
presupuesto que se tendría con la disminución de una centésima de milímetro en el espesor de
lámina. El ahorro del 4,3 % es muy significativo, ya que durante el año se consume un gran
59
___________________________________________________________________________
volumen de toneladas de hojalata y por consiguiente grandes cantidades de dinero. El beneficio
monetario de la empresa en disminuir el espesor de lámina representa 1,6 Billones de bolívares.
AHORRO
1,6 Billones Bs.
Espesor 0,22mm
37,2 Billones Bs.
Espesor 0,21mm
35,6 Billones Bs.
Figura 5.8 Gráfica representativa del consumo y ahorro anual en Billones de Bs. para los espesores evaluados.
El estudio realizado de factibilidad en la disminución del espesor tiene cabida 100% en la
empresa, manteniendo en primer lugar la excelencia en la calidad de los productos como a lo
largo de los años lo ha demostrado Cervecería Polar, y por otro lado un beneficio económico
significativo que serviría de inversión a la empresa para mejorar eficiencia, capacidad y
producción dentro de la gran plataforma que significa planta “Metalgráfica” en la organización de
Empresas Polar.
60
___________________________________________________________________________
VI.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
6.1. Conclusiones
1.-
Los valores promedios en relación a composición química de las láminas estudiadas de
espesores 0,22mm y 0,21mm proporcionados en el certificado de calidad de SIDOR y se
encuentran dentro de las especificaciones de la norma, ya que todos los elementos tienen un
porcentaje por debajo al máximo permitido, así como también tienen la proporcionalidad
adecuada.
2.-
El acero de 0,06%C en su estado de entrega para los espesores 0,22mm y 0,21mm
presenta una microestructura muy similar y constituida principalmente por granos de ferrita
alargados en la dirección longitudinal consecuencia del sentido de laminación y por otra parte, se
aprecia como segunda fase la cementita precipitada a lo largo de los bordes de grano ferríticos.
3.-
El tamaño de grano ferrítico del acero de los dos espesores de láminas estudiados son muy
similares ya que el promedio global para el espesor 0,22 mm fue de 5,15 µm mientras que para el
espesor 0,21 mm un promedio de 5,18 µm.
4.-
Los valores de dureza tanto individuales como promedios de cada uno de los materiales
en estudio, son sumamente similares y se encuentran dentro de la especificación.
5.-
Las propiedades mecánicas de esfuerzo de fluencia, resistencia mecánica y elongación
para los materiales 0,22mm y 0,21mm son muy similares lo que permite afirmar que el espesor
de 0,21mm presenta las condiciones que permiten tener igual desempeño en la fabricación de la
tapa corona que el material con espesor 0,22mm.
61
___________________________________________________________________________
6.-
El comportamiento de la altura de la tapa corona es el esperado ya que la resistencia a
deformase que opone el material de menor espesor es menor que la resistencia que opone los
materiales de mayor espesor. Por consiguiente es prescindible que al momento de cambiar de
espesor de lámina en la etapa de embutido y troquelado, se realicen los ajustes pertinentes que se
encuentran a pie de máquina de cada uno de los módulos, para así obtener la dimensión de la
altura dentro de las especificaciones dadas.
7.-
Se infiere que debe existir un desgaste en el herramental de la máquina del troquel Nº 8 ya
que los valores de altura la tapa corona no son homogéneos en los 27 formadores de tapa.
8.-
En la etapa del conformado, el diámetro externo de la tapa corona tiende a ser mayor al
aumentar el espesor de lámina.
9.-
El aumento en la dureza durante la etapa del conformado de la tapa corona, tienen un
comportamiento esperado, ya que la deformación ocurrida durante esta etapa conduce a un
endurecimiento por deformación. Mientras que en la etapa de la dosificación de PVC, no se
evidenció alteración significativa de la dureza en ambos materiales.
10.-
En el ensayo de pérdida de presión se observa un comportamiento análogo entre los
materiales con distinto espesor en estudio, en relación a las botellas sin pasteurizar en su gran
mayoría llegaron a la presión máxima sin ocurrir fuga, mientras que para las muestras
pasteurizadas alguna presentaron fuga a la presión máxima, por consiguiente todas las muestras
ensayadas se encuentran dentro de la especificación y el espesor 0,21mm tiene un desempeño
aprobado.
11.-
Este cambio en la disminución de espesor de lámina, representa un ahorro de 765
toneladas al año aproximadamente y un 4,3% del presupuesto anual de materia prima (Hojalata).
El beneficio monetario de la empresa en disminuir el espesor de lámina a 0,21mm representa 1,6
Billones de bolívares.
62
___________________________________________________________________________
6.2. Recomendaciones
1.
Evaluar las propiedades mecánicas, microestructurales y de desempeño de la tapa corona
para botellas de vidrio, en relación a la influencia que tiene el tratamiento termo-mecánico final
(Temper Roll), para diferentes espesores de lámina con tratamiento T-5, preferiblemente
espesores que tengan un impacto económico en el presupuesto de materias primas.
2.
Evaluar estudios de factibilidad de disminución de espesor de lámina para tapas gire
(Twist Off), en relación al desempeño e impacto económico de la misma.
3.
Debido a las variaciones de altura y diámetro externo que se encontraron en los
formadores de tapa, es indispensable llevar un control en relación a ubicación y reemplazado de
formadores para evitar menos dispersión en estos parámetros.
4.
En el momento del reemplazo de las láminas de hojalata de espesor 0,22 mm T-4 por el
espesor menor, es preciso realizar pruebas de ajuste y adiestramiento del personal que opera en la
etapa de Troqueles.
5.
Con la finalidad de estimar la capacidad de embutición de la hojalata en estudio, realizar
ensayos de tracción uniaxial, para medir el coeficiente de anisotropía plástica (r) utilizando dos
extensómetros para medir simultáneamente el alargamiento y la reducción del ancho, empleando
una velocidad menor de desplazamiento del pistón.
63
___________________________________________________________________________
VII.
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
CERVECERIA POLAR. “Manual de Gestión de la Calidad”, Publicación Planta
Metalgráfica, 2006, pp. 2-30.
[2]
COVENIN 1921:1995. “Tapas Corona Para Envases de Vidrio”, Norma Venezolana,
1era Revisión, 1995, pp. 1-36.
[3]
KALPAKJIAN, S. “Manufactura ingeniería y tecnología” Pretice Hall, 4ta Edición,
México, 2001, Cap. 33, pp. 902- 913.
[4]
HUDOK, D. “Carbon and Low-Alloy Steel Sheet and Strip”. In: ASM Handbook,
Vol. 1, 10th Edition. Ohio, USA, pp. 200-204.
[5]
CEDRIC, M. y Medina, M. “Evaluación Integral del Horno de Recocido Continuo y el
Proceso para Obtención de la Hoja Negra”. Tesis de Grado, USB, Caracas, 1984.
[6]
COVENIN 1589:2003. “Hoja Cromada y Hoja Estañada Electrolítica”, Norma
Venezolana, 4ta Revisión, 2004, pp. 1-14.
[7]
KOZESCHNIK, E., Pletenev, V., Zolotorevsky, N. y Buchmayr, B. “Aluminum Nitride
Precipitation and Texture Development in Batch-Annealed Bake-Hardenind Steel”.
Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 30 A, June 1999, pp. 16631673.
[8]
RODRIGUEZ C., V. “Estudio del envejecimiento de un acero calmado al aluminio
destinado para hojalata fabricada en SIDOR”, Tesis de Grado, USB, Caracas, 2002.
[9]
PANICRAHI, B.K., “Processing of low carbon steel plate and hot strip – an
Overview”, Bulletin Materials Science, Vol. 24, Nº4, August 2001, pp 361-371.
[10]
BRAMFITT, B. L. y Hingwe, A. K. “Annealing of Steel”. In: ASM Handbook, Vol. 4,
10th Edition, Ohio, USA, pp. 42-55.
[11]
PRADHAN, R. “Continous Anneling of Steel”. In: ASM Handbook, Vol. 4, 10th
Edition,
Ohio, USA, pp 56 – 66.
[12]
PICAN, N, Bresson, P. “A Perceptron with Optimized Backpropagation Learning
Algorithm to present a Temper mill machine: Neuroskin”, Sollac-Sedpro, France,
2001, pp 3-4.
[13]
KILLMEYER, J. “Tin Plating”, ASM Handbook, Vol. 5, 2001, pp 239 -241.
64
___________________________________________________________________________
[14]
MAYKUTH, D. Hampshire, W. “Corrosion of Tin and Tin Alloys”. ASM handbook,
Vol.13, 2001, pp. 778 – 782.
[15]
HOUBAERT, Y., y Kestens, L. “Desarrollos recientes en aceros de embutición basados
en estudios de textura cristalográfica”. ASM International, Spain Chapter, Barcelona, 30
de mayo de 2000, España., pp. 41-54.
[16]
HOSFORD, W. F., and Caddell R. C., Metal Forming, Ed. Prentice Hall, Cap 13, pp
270-281.
[17]
HUTCHINSON, W. B. “Development and Control of annealing Textures in Lowcarbon steels”. International Metals Reviews, Vol. 29, Nº1, 1984, pp. 25 – 42.
[18]
JANICKI, M., Mizera, J., Ralph B., Bucki, J. y Kurzydlowski, K. “Anisotropy of
Grain Growth in Policrystals of α-Fe”. Materials Science and Engineering A”, Vol.
A298, 2001, pp. 187-192.
[19]
VERA, M. “Productos Recubiertos SIDOR” Publicaciones SIDOR, Julio, 2005, pp.448.
[20]
CERVECERIA POLAR. “Proceso Fabricación de Tapa
Litografiadas”, Publicación Planta Metalgráfica, 2006, pp. 2-10.
[21]
CERVECERIA POLAR.
Metalgráfica, 2006, pp. 13.
[22]
TERINSA, P. “Manual de recubrimientos para Tapa y Envases”, Bogota, 1991, pp.37.
[23]
ASTM Standards. Designation: E112-06, “Standard Test Methods for Determining
Average Grain Size”, 2006, pp 10 -14.
[24]
ASTM Standards. Designation: E18-03, “Standard Test Methods for Rockwell Hardness
and Rockwell Superficial Hardness of Metallic Materials”, 2003, pp 2-21.
[25]
CERVECERIA POLAR. “Instructivo de Inspección medición y/o ensayo de dureza
superficial”, Publicación Planta Metalgráfica, 2006, pp. 2.
[26]
ASTM Standards. Designation: E8M-04, “Standard Test Methods for Tension Testing of
Metallic Materials [Metric]”, 2004, pp. 3-4.
[27]
HIBBELER, R.C. “Mecánica de Materiales”, Prentice Hall, Tercera Edición,
México,1998, pp.91.
[28]
DIETER, “Mechanical Metallrgy”, McGraw-Hill, 3º Edition, Boston, 1986.
“Especificación
65
Técnica:
Siza”,
Corona
y
Publicación
Láminas
Planta
___________________________________________________________________________
[29]
CERVECERIA POLAR. “Instructivo de Inspección medición y/o ensayo de Pérdida
de Presión ENS-030”, Publicación Planta Metalgráfica, 2006, pp. 2-6.
[30]
CERVECERIA POLAR. “Instructivo de Inspección medición y/o ensayo de
Retención de Carbonatación ENS-028,029”, Publicación Planta Metalgráfica, 2006,
pp. 1-5.
[31]
CERVECERIA POLAR. “Especificaciones Técnicas Laminas para Tapa Corona”,
Publicación Planta Metalgráfica, 2006, pp. 13.
[32]
VERHOEVEN, J. D. “Fundamentos de Metalurgia Física”, Editorial Limusa, 1987.
Cap. 10, pp. 347 – 375.
[33]
HUMPHREYS, F.J. y M. Harherly, “Recrystallization and related Annealing
Phenomena”, 1th edition, 1995.
[34]
NOVIKOV, I. “Theory of Heat Treatment of Metals”. Mir Publishers, Moscow, 1978,
Chapter 1 -2, pp 17 -121.
[35]
ASKELAND, D. R. “La Ciencia e Ingeniería de los materiales”, Internacional
Editores, 3era Edición, Cap. 7, pp. 169 – 194.
66
Thomson
___________________________________________________________________________
VIII. APÉNDICES
Apéndice 8.1 Cálculo del volumen para la solución de ácido sulfúrico H2SO4 y número de
cápsulas de bicarbonato de sodio NaHCO3 necesarios.
Volumen Total.
N° Botellas Totales: 72 botellas
Volumen de la Botella: 0,222 l
VolumenTot alSol = N ° BotellasTotales × VolumenBot ella
(10)
VolumenTotalSol = 72 × 0,222 = 15,98litros
Gramos requeridos de H2SO4 para la solución de 15,98 ≈ 16 litros.
Peso Molecular PM(H2SO4) = 98,082 g/mol
N°eq/g(H2SO4)= 2
N: Normalidad
N = 0,109
V: Volumen total de la solución
g reqH 2 SO4 = N ×
PM H 2 SO4
o
N eq / g H 2 SO4
g reqH 2 SO4 = 0,109 ×
×V
(11)
98,082
× 16 = 85,52 g
2
Cantidad de cápsulas por botella requeridas de bicarbonato de sodio para obtener la
carbonatación deseada.
Se requieren n + 1 cápsula
n = Ns × K × Vs
(12)
donde,
n: número de cápsulas de 1g de bicarbonato de sodio, aproximado al entero próximo superior
K: peso equivalente del bicarbonato de sodio
67
___________________________________________________________________________
Ns: normalidad del ácido
Vs: Volumen de líquido de la botella expresado en litros
PMNaHCO3 = 84,01 g/mol
N°eq/g(NaHCO3)= 1
Ns = 0,109
Vs = 0,222 l
n = 0,109 × 84,01 × 0,222 = 2,03 n = 2
Número de cápsulas requeridas = 2 + 1 = 3 cápsulas de 1 g
68
___________________________________________________________________________
Apéndice 8.2 Análisis de costo de la materia prima Hojalata 0,22mm de espesor en comparación
con la hojalata de espesor 0,21mm.
a.- Cálculo de volúmenes para láminas empleadas en la fabricación de Tapa Corona 0,22mm
V = L. A.e
(8)
donde, V: Volumen, L: Largo, A: Ancho y e: espesor .
Dimensiones de lámina 0,22mm T-4.
L = 842,85mm A = 891,5mm e = 0,22mm
Dimensiones de lámina 0,21mm T-4.
L = 842,85mm A = 891,5mm e = 0,21mm
Vo , 22 mm = (842,85mm) x(891,5mm) x(0,22mm) = 165308,17mm 3
V0, 22 mm = 1,65 x10 −4 m 3
b.- Cálculo de la masa unitaria por lámina 0,22mm
ρ=
m
V
donde, ρ: densidad, m: masa y V: Volumen .
Densidad Promedio de acero: 7850 Kg/m³
m0, 22 mm = (7850kg / m 3 ) x(1,65 x10 −4 m 3 )
m0, 22 mm = 1,295 Kg
69
(9)
___________________________________________________________________________
c.- Cálculo del monto total anual en Bs. de la hojalata 0,22mm
Precio aprox. Tonelada de hojalata: 2.065.550 Bs. según sistema SAP
MontoTotal.Bs. = (toneladas.totales.año )x(Pr ecio.unitario.tonelada )
(13)
Monto.Total.Bs. = (18.000T )x(2.065.550 Bs )
Monto.Total .Bs. = 37.179.900.000 Bs
d.- Cálculo teórico del número de láminas consumidas anualmente de 0,22mm
Consumo anual en toneladas 0,22mm según SAP: 18.000 T
N °.Total.Lam.0,22mm =
18.000T
= 13.899.614 Lam / Año
0,001295T
e.- Cálculo teórico de toneladas anuales de hojalata 0,21mm
Masa unitaria de lámina 0,21mm = 0,00124 T
N °.Toneladas. Año.0,21mm = ( N °.Total.Lam.0,21mm) x( Masa.Unit.Lam.0,21mm)
(14)
N °.Toneladas. Año.0,21mm = (13.899.614 Lam) x(0,00124T ) = 17.235.T .Lam / Año
f.- Cálculo del monto total anual en Bs. de la hojalata 0,21mm
Precio aprox. Tonelada de hojalata: 2.065.550 Bs.
MontoTotal.Bs. = (toneladas.totales.año )x(Pr ecio.unitario.tonelada )
Monto.Total.Bs. = (17.235.T )x(2.065.550 Bs )
Monto.Total .Bs. = 35.599.754.250.Bs
70
(15)
___________________________________________________________________________
g.- Cálculo del ahorro anual en Bs. sustituyendo la hojalata 0,22mm por 0,21mm
Ahorro.enBs. = ( Monto.TotalBs.0,22mm) − ( Monto.Total.Bs.0,21mm)
Ahorro.en.Bs = 1.580.145.750 Bs.
71
(16)
___________________________________________________________________________
IX.
ANEXOS
Anexo 9.1 Tabla del volumen de carbonatación (Relación del volumen de gas carbónico disuelto
y un volumen de agua).
72