IM21 - UNEXPO Vicerrectorado Puerto Ordaz

Memorias de las IX Jornadas de Investigación 2011 – UNEXPO Puerto Ordaz - 6 al 9 de Julio de 2011
INCREMENTO DE LA VIDA UTIL DE LOS BARROTES DEL HORNO DE
PIROCONSOLIDACIÓN DE LA PLANTA DE PELLAS SIDOR
JIMENEZ LORENA; BASANTA G; MAUCO S; LEDEZMA N; DELGADO D)
ORELLANA A, HERRERA G.
Resumen: El proceso de quemado de pellas de Sidor se lleva a cabo en un horno de piroconsolidación, el
cual confiere las propiedades mecánicas necesarias para garantizar el adecuado comportamiento en los
procesos de reducción. El horno de piroconsolidación consta de una parrilla móvil conformada por carros
portabarrotes, donde se instalan los barrotes que sirven de base para la camada de pellas a quemar. Los
barrotes de la parrilla están fabricados con una aleación Fe-Cr-Ni, cumpliendo con las especificaciones de la
norma ASTM A297 grado HH, correspondiente a aleaciones resistentes a altas temperaturas. Sin embargo,
en los últimos años se ha presentado un deterioro acelerado de los barrotes. Esta falla prematura, genera
pérdidas económicas por la reposición constante de barrotes, además de una calidad no óptima de las pellas,
por canalización de gases, daños a los carros palet y contaminación ambiental. Esta investigación tiene como
principal objetivo proponer nuevas alternativas de aleación que permitan incrementar la vida útil de los
barrotes en conjunto con los proveedores, a través de la determinar los mecanismos de fallas presentes en los
barrotes y la definición de las condiciones operativas actuales del horno. En este trabajo se presentan los
resultados de la primera fase del estudio que consistió en determinar el mecanismo de falla de los barrotes.
Los resultados de la investigación indican que los barrotes de todos los proveedores evaluados presentan
diferentes morfologías de falla siendo la mas frecuente agrietamiento superficial y desprendimiento de
cabezas, además que las características metalúrgicas de los barrotes fallados son típicas del fenómeno de
falla de deformación a altas temperaturas o Creep.
Palabras Clave: Barrotes/ Piroconsolidación/ Pellas/ ASTM A297 HH/ Creep
Abstract: The process of burning pellets Sidor takes place in an oven induration, which confers the
necessary mechanical properties to ensure the proper behavior in the reduction process. The induration oven
consists of a grate formed by cars, where the bars are installed to provide a basis for the layer of pellets to
burn. The grill bars are made of a Fe-Cr-Ni, meeting the specifications of ASTM A297 grade HH,
corresponding to high temperature resistant alloys. However, in recent years have seen a rapid deterioration
of the bars. This premature failure, economic losses generated by the constant replenishment of bars, plus a
non-optimal quality of the pellets by gas pipeline, damage to pallet trucks and pollution. This research has as
main objective to propose new alternatives alloy which increase the life of the bars together with suppliers,
through to determine the failure mechanisms present in the bars and the definition of actual operating
conditions of the furnace . This paper presents the results of the first phase of the study was to determine the
failure mechanism of the bars. The research results indicate that the bars of all vendors evaluated presented
different morphologies of failure being the most common surface cracking and detachment of heads, in
addition to the metallurgical characteristics of failed bars are typical of the phenomenon of fault deformation
at high temperatures or Creep
Keywords: Bars/ Induration/ Pellets/ ASTM A297 HH/ Creep
I. INTRODUCCIÓN
En la planta de pellas, el proceso de quemado de pella consiste en someter a un calentamiento a las pellas verdes para su
endurecimiento y obtención de una alta resistencia a la compresión, que garantice su transporte y soporte los esfuerzos
inherentes en los procesos metalúrgicos posteriores. El proceso de quemado se realiza en un horno tipo túnel de parrilla
móvil, en el cual se someten las pellas a un aumento gradual de temperatura hasta 1300°C, en una atmósfera altamente
oxidante.
El transporte de las pellas en el horno de piroconsolidación se hace a través de una parrilla móvil, formada por una cadena
sin fin de 208 carros de parrilla de 4m de ancho, donde unos de sus componentes son los barrotes sobre los cuales reposa la
camada de pella a ser quemada. Los barrotes de la parrilla móvil son de tipo estriado y están fabricados con una aleación de
acero al Cr-Ni tipo HH, cumpliendo la norma ASTM-A297(1), resistente a altas temperaturas, sin embargo, en los últimos
años se ha producido un desgaste excesivo de estos barrotes, lo que conlleva a una disminución de su tiempo de vida útil.
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Los aceros resistentes a elevadas temperaturas, o heat-resistant steels en inglés, son aquellos materiales empleados en
aplicaciones donde la temperatura de servicio excede los 650°C hasta alcanzar 1315°C aproximadamente. Las
consideraciones tomadas para la selección de dichos materiales incluyen la resistencia a la corrosión a elevadas
temperaturas, estabilidad del metal (resistencia al agrietamiento, fatiga térmica), resistencia a creep, etc. El grupo de
aleaciones Hierro-Cromo-Níquel contienen 18-32%Cr y 8-22%Ni, con el cromo siempre excediendo al níquel, y se incluyen
los grados HE, HF, HH, HI, HK y HL. Aunque estas aleaciones son consideradas austeníticas, sin embargo pueden
presentar cierta cantidad de ferrita, lo cual depende de la cantidad de Ni en la aleación. La presencia de estas fases son
perjudiciales para el desempeño de los barrotes en el horno, esto debido a que la ferrita se transforma a fase sigma
aproximadamente a los 650 y 870°C (3). La fase sigma por su lado es fragilizante y si se encuentra de forma continua
bordeando los granos puede generar fracturas frágiles a temperatura ambiente
La resistencia a altas temperaturas en este grupo es mucho mayor que la obtenida en las aleaciones hierro-cromo, y la
resistencia a creep y fractura aumenta a medida que se incrementa el contenido de níquel. [4]
La falla de los barrotes en el horno es detectada por una emanación de polvo muy pronunciada a través de las chimeneas de
la planta. La observación directa de los barrotes en los carros revela que la falla de los barrotes está asociada a diferentes
morfologías, siendo importante el hecho de que no se ha identificado si la falla esta asociada a un proveedor en específico.
La importancia de este estudio radica en determinar los mecanismos de falla de los barrotes, para establecer las causas que
generan el desgaste prematuro de los mismos; lo que conllevará a la propuesta de mejora, relacionada a la química del acero
y/o condiciones de servicio, que repercutirá en la disminución de los costos operativos de planta de pellas por reemplazo de
barrotes dañados y mejorara la calidad de la pella quemada.
En este trabajo se presentan los resultados de la primera fase del estudio, donde se estudiara el mecanismo de falla de los
barrotes del horno de piroconsolidación de la planta de pellas. Para lo cual; se realizará una inspección visual de los barrotes
nuevos y usados de los proveedores A, B, C y D, se dimensionara los barrotes nuevos y usados para establecer los cambios
de dimensiones en los fallados, además de la caracterización microestructural por las técnicas Microscopia óptica y
Microscopia electrónica de barrido, así como ensayos de comprobación de las propiedades mecánicas y análisis químicos.
II.DESARROLLO
1 Metodología
1.1.Selección de muestras.
La selección de las muestras falladas se realizo en función de la inspección visual del horno y a las zonas de
almacenamiento de barrotes fallados. Las muestras se seleccionaron por proveedor identificados como A, B, C, y D, y en
función de la morfología de falla presente.
De igual manera se evaluaron las muestras por proveedor sin uso para comparar las características antes y después de
expuestos a las condiciones de servicio.
1.2.Caracterización dimensional de las muestras
Cada uno de los barrotes analizados fueron medidos en varios puntos de la pieza, promediando los valores obtenidos: ancho,
largo y alto. Posteriormente, dichas mediciones fueron comparadas con las dimensiones de la muestra patrón exigida por la
planta. En la Figura 1, se presentan las mediciones realizadas para cada una de las muestras.
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Figura. 1. Caracterización dimensional de las muestras de barrotes
1.3.Caracterización química
La composición química de las muestras de barrotes nuevos, por proveedor, se llevó a cabo mediante las técnicas de:
Espectroscopia de Absorción Atómica (EAA), Espectroscopia de Absorción Infrarroja (EAI), y Método Gravimétrico. Para
ello se emplearon los siguientes equipos: un Espectrómetro marca LECO modelo CS-444 y un Espectrofotómetro marca
PERKIN ELMER modelo A Analyst 300. Se siguió el procedimiento descrito en las normas ASTM E663 y COVENIN
2796-98 y 2798-98. Las probetas seleccionadas para el análisis químico corresponden a cuatro (4) muestras de barrotes
nuevos por proveedor, para comparar dichos resultados con las especificaciones dadas por la norma ASTM A297HH.
1.4.Determinación de dureza
La evaluación de las propiedades mecánicas se determinó mediante un ensayo de dureza Rockwell B (HRB), cumpliendo
con la norma COVENIN 646-82, a cuatro (4) muestras de barrotes nuevas y falladas, por proveedor. Se utilizó un
Durómetro marca INSTRON-WILSON ROCKWELL modelo Serie 2000.
1.5.Caracterización microestructural
La caracterización microestructural de las muestras de barrotes nuevos y fallados se realizó a través de Microscopia óptica y
SEM-EDX. Para esto se utilizó un Microscopio Óptico marca LEITZ WETZLAR modelo MM6, el cual está conectado a un
computador con el software analizador de imagen “Image Pro Plus”. Posteriormente las muestras fueron caracterizadas
mediante un Microscopio Electrónico de Barrido marca PHILIPS QUANTA 200, equipado con un espectrómetro dispersivo
de rayos X (EDX) marca OXFORD.
2 Resultados
2.1. Selección de muestras.
Se realizó una visita al horno de piroconsolidación de la Planta de Pellas de Sidor. El recorrido comprendió las distintas
zonas del horno: Secado Ascendente, Secado Descendente, Pre-Quema, Quema, Post-Quema y Enfriamiento. La inspección
visual permitió identificar que el tipo de falla más frecuente, la cual es común para todos los proveedores evaluados (A, B,
C, y D), esta asociada a un agrietamiento superficial relacionado con deformación (encorvamiento) y desprendimiento de
cabezas superiores (Figura. 2).
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2.2. Caracterización Dimensional
Las dimensiones de las diferentes zonas de los barrotes nuevos se encuentran dentro de las especificaciones dadas por el
plano patrón. En particular, las secciones L3, L4 y L5, identificadas en la Figura. 1, son consideradas críticas ya que es
donde existe el contacto directo con las pellas, y se generan una gran cantidad de fallas.
Las mediciones de las muestras falladas del proveedor A, C, D registraron una disminución general en las dimensiones de
las piezas, principalmente en las secciones L3, L4 y L5. Tales zonas presentaron un disminución del 24, 17, 6% para los
proveedores A, C y D respectivamente. Las muestras falladas presentaron en la mayoría de los casos encorvamiento y un
importante deterioro en las cabezas superiores del barrote.
Las mediciones de las muestras falladas del proveedor B presentan el mayor porcentaje de reducción de área,
específicamente en las secciones L3 y L5, con una disminución de 34%. A pesar de este resultado, no se observaron
síntomas de deformación o encorvamiento, pero si un leve agrietamiento en los bordes del barrote, observándose un
desgaste homogéneo a lo largo de las piezas.
A
B
Figura. 2. Morfologías de falla más frecuente para todos los proveedores de barrotes. (A) Agrietamiento superficial,
(B) detalle de agrietamiento de cabeza superior.
3.3. Caracterización
Química
Los resultados del análisis químico presentados en la Tabla I, indican que las muestras de los proveedores A, C, D presenten
un contenido de cromo mayor al especificado en la norma ASTM A297 (1).
También cabe destacar el contenido de carbono del proveedor A (0,45%). Aunque se encuentra dentro de las
especificaciones de la norma, el contenido es superior a las demás muestras. El contenido de carbono hacia el límite
superior de la norma puede contribuir a la fragilización del material.
4.4. Determinación de Dureza.
Los resultados de los ensayos de dureza, presentados en la Tabla II, determinaron que las muestras de los barrotes nuevos
evaluados, presentan dureza cercanas a la establecidas por a norma, siendo la muestra del proveedor A la que presenta
mayor dureza (93 HRB aprox.).
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TablaII. Resultados de dureza por proveedor
Este mayor valor de dureza se puede relacionar con la composición química, la cual presenta mayor contenido tanto de
carbono como de cromo (0,45 y 30,39% respectivamente), lo cual favorece una mayor formación de carburos de cromo,
incrementándose de esta manera la dureza del material.
Los resultados de dureza de las muestras falladas se realizaron ensayos de durezas en distintas zonas (Figura. 3), los
resultados muestran un comportamiento similar con una tendencia marcada a disminución de dureza.
Los resultados corroboran que la dureza desciende a medida que se acerca a la superficie del barrote, y que en la zona de
agrietamiento asociado a las cabezas es donde se consigue la menor dureza. Lo con lleva a presumir que el mecanismo de
falla esta asociado a una debilitamiento de las propiedades mecánicas.
Figura. 3. Distribución de dureza en diferentes zonas de la muestra de barrote fallado.
Tabla I. Composición química de los barrotes nuevos por proveedor
5.5. Caracterización Microestructural
Las muestras de barrotes nuevos, presentan una microestructura compuesta por una matriz austenítica, con presencia de
carburos eutécticos primarios, interconectados en forma de cadenas a lo largo de las zonas interdendriticas, esta morfología
concuerda con lo reportado en la literatura(2). La Figura 4, muestra una microestructura característica encontrada por todos
los proveedores
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A
A
B
A
Figura. 4. Fotomicrografías de las muestras de barrotes nuevos. (A) 80X (B) 400X. Ataque Vilella.
Los resultados de las muestras falladas revelaron una precitación de carburos secundarios dispersos en toda la matriz,
aunado a la fragmentación de los carburos eutécticos primarios (Figura. 5). Estos fenómenos
ocurren cuando el material se recalienta en un rango de temperatura entre 980 y 1200°C (3,4).
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A
B
C
Figura. 5. Fotomicrografías de las muestras de barrotes fallados zona central del barrote. (a1) 80X (a2) 400X.
Ataque Vilella. Se observa precipitación de carburos secundarios (A) y fragmentación de carburos eutécticos (B) y
microhuecos asociados a los carburos primarios que coalescen y forman grietas (C).
Además se evidencia en forma general microhuecos asociados a los carburos primarios que coalescen formando grietas, que
pueden conllevar a la rotura observada en planta, desprendimiento de cabezas. (Figura. 5), estas características se presentan
en diferentes severidades, siendo mas severo en la zona superior del barrote la cual está en contacto con la camada de pellas
y por lo tanto a la mayores temperaturas, estas características son típicas del fenómeno de Fallas por CREEP. Según la
bibliografía consultada la aglomeración y esferoidización de los carburos, disminuyen la resistencia a creep incrementan la
ductilidad del acero(3), esta esferoidizacion ocurre por encima de 1100°C, (3,4).
A las muestras falladas se les realizo MEB, en la sección transversal evidenciándose oxido ricos en Hierro y Cromo, el cual
penetra el material oxidando preferencialmente los bordes de los carburos primarios, Figura 6, lo que se relaciona con el
comportamiento típico de estas aleaciones cuando son expuestos a altas temperaturas por largos periodos de tiempo debido
a que se favorece una difusión de Cr desde las adyacencias del los carburos hacia los carburos, quedando esta zona
empobrecida y haciendo al material mas susceptible a la corrosion intergranular (5).
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3
1
4
2
Espectro
1
2
3
4
C
8.51
12.23
6.89
8.48
O
24.77
44.34
25.79
Si
0.49
1.51
1.10
0.66
Cr
18.64
17.93
26.27
30.65
Mn
1.73
1.01
1.32
3.25
Fe
37.20
17.37
53.57
26.42
Ni
8.67
5.60
10.84
4.76
Figura. 5. Fotomicrografías por MEX y EDX de las muestras falladas en sección transversal.
Después de analizar tosas las muestras falladas de los diferentes proveedores, se evidencia que el principal mecanismo de
falla esta asociado a deformación a Altas temperaturas o Creep, estos resultados sirven de base para en conjunto con los
proveedores evaluar nuevas alternativas que presente mayor resistencia al Creep en función de las condiciones operativas
del horno en cuanto a temperatura.
III.CONCLUSIONES
De los resultados obtenidos se concluye que:
1.
2.
3.
4.
5.
La morfología de falla más frecuente y que se presenta para todos los proveedores A, B, C y D, esta asociada a
agrietamiento superficial que conlleva a deformación y fractura o desprendimiento de cabeza.
Los resultados obtenidos del análisis químicos de las muestras nuevas evidencian que los proveedores A, C Y D están
fuera de de especificaciones con respecto al elemento Cr.
Los resultados de dureza de las muestras nuevas y falladas, asocian el mecanismo de falla a una disminución de la
dureza hacia la zona de agrietamiento.
Los resultados de las muestras falladas revelaron una precitación de carburos secundarios dispersos en toda la matriz, y
a fragmentación de los carburos eutécticos primarios, además se evidenciaron en forma general microhuecos asociados
a los carburos primarios.
La falla de agrietamiento superficial y desprendimiento de cabezas evidenciada en el horno esta asociado a un
mecanismo de Creep.
IV.REFERENCIAS
1. ASTM International. ASTM A297: “Standard specification for steel castings, ironchromium and iron-chromium-nickel,
heat resistant, for general application”. (1998)
2. Heat Resistant Casting Alloys: Metallographic Techniques and Microstructure”. ASM Handbook Vol. 9:
Metallography and Microstructures. (1992)
3. High-Alloy Cast Steels”. Heat Resistant ASM Handbook Volume Special (1995)
4.
Voicu R., Lacaze J., Andrieu E. “Creep and tensile behavior of austenitic Fe-Cr-Ni stainless steels”. Materials
Science and Engineering Vol. 510-511. France (2009)
5.
Kaya, A.A. y otros, Microestructure of HK 40 alloy alter high temperatura service in oxidizing/carburizing
environment, Materials Characterization 49 (2002) 11-21.
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