Trefilación

Para comprender mejor este procedo, entenderemos trefilación como aquel proceso de conformado en el que mediante una carga tractiva estira una barra a través de un dado, provocando una reducción en la sección transversal ¹. La Figura 1, presenta un esquema del proceso de trefilación, en el que se reduce la sección transversal de una barra de perfil redondo desde un diámetro Di a uno Df, mediante la aplicación de una fuerza de tiro, que hace pasar la barra a través de un dado de sección cónica truncada. Por la aplicación de esta fuerza tractiva, se producen fundamentalmente dos respuestas una, del tipo compresiva y responsable de la reducción de área y otra, la fuerza de roce, en la intercara entre el dado y la barra y el dado, que se opone al movimiento de ésta.

Sea cual sea el análisis que se realice para la determinación de cómo varía la energía de trefilación (W_T), en función de los parámetros de trefilación (reducción de área, ángulo del dado, límite elástico del material y coeficiente de roce) siempre parte de la premisa ⁽² que la energía invertida como esfuerzo, o carga, de trefilación, está compuesta por la energía interna de deformación (W_I), la energía por trabajo redundante (WS) y la energía para vencer el roce que existe entre el material trefilado y el dado (W_F) (ecuación 1). En la Figura 2 se puede apreciar cómo se comporta la carga relativa (esfuerzo de trefilado sobre límite de fluencia del material).

De la Figura 2, se puede inferir que conforme aumenta el ángulo del dado, disminuye, en gran medida, la energía "perdida" por fricción y aumenta (en menor medida) por trabajo redundante. Por ello es que se puede determinar un ángulo, en el que se minimizan estas pérdidas. Esto también se puede realizar obteniendo una expresión que relacione esfuerzo de trefilado (σ ^{_{Trefilación),}} límite elástico

, ángulo del dado (2 • õ), coeficiente de roce (μ) y reducción de área. Un caso particular de esto es el método de Siebel (ecuación 2) ³, que surge como una solución a la Ecuación 1, considerando el método de elementos finitos,

Donde,

A_i el área transversal de la barra sin trefilar,

A_f la final,

y se define

Se ha visto en otros estudios ⁴ que, durante la trefilación, la deformación no es homogénea y que esta es la responsable del endurecimiento a niveles mayores que lo que dice el endurecimiento por deformación típico, estudiado a través del ajuste de Hollomon. Lo anterior se presenta de manera esquemática en la Figura 3, que presenta la evolución de las propiedades mecánicas de un alambre trefilado al sufrir sucesivamente la reducción -r_i- de su sección transversal.

Clasificación de cortes

Con el propósito de aumentar productividad de la planta de trefilación, se procedió a realizar un catastro de la situación actual de ésta (trefilado en seco y húmedo), que consistió en cuantificar el desgaste de las hileras (dados de trefilación) y en clasificar los tipos de cortes en tres:

Falla por la unión soldada, es decir, en la unión de las bobinas o de cortes producidos.

Fallas de la materia prima en productos de inclusiones o, pliegues de laminación y/o incrustaciones

Cortes producidos por trefilación.

Una vez realizado el catastro de los cortes clasificados (de un total de 100 toneladas procesadas), los que principalmente ocurrieron en la etapa de trefilación en húmedo (últimos pases de trefilación), se procedió a realizar pruebas de trefilación en laboratorio, con el objetivo de analizar el alambre a medida que pasa por cada dado de trefilación, así, determinando la fuerza de tiro y el endurecimiento del alambre por trefilación en seco.

Pruebas de laboratorio

Los ensayos de prueba (en laboratorio) se realizaron en una máquina de tracción. Dado que el acero presenta un bajo índice de sensibilidad a la velocidad de deformación ^5-7 es esperable que los resultados obtenidos en laboratorio, a una velocidad de trefilación menor a la de la planta, sean equivalentes a los que se obtendrían en esta. En la Figura 4, se presenta un esquema del montaje de trefilación realizado en laboratorio.

Luego, se propuso después de varias pruebas una nueva distribución de hileras (dados) para el trefilado en seco, con la que se pretendió lograr una disminución de los esfuerzos de trefilación y con ello obtener una baja de la resistencia del alambre (Límite elástico). Al final, y con la distribución de hileras propuesta, se procedió a realizar una prueba industrial de 100 toneladas de alambrón, aproximadamente, las que poseían las mismas características (misma colada), de las que se cuantificaron los cortes, y el desgaste de las hileras, con la configuración actual y la propuesta.

Propuesta

Tras varias pruebas de laboratorio, se realizó una propuesta (Tabla 1), que modifica las condiciones bajo las que se realiza la trefilación en seco de la planta, en función de minimizar los esfuerzos de trefilación y endurecimiento del acero.

Se modificaron las tasas de reducción de los dados de trefilación en seco -9 en total-, en las que el diámetro de entrada (6 [mm]) y el de salida (1.73 [mm]) fuesen los mismos. Adicionalmente se cambiaron los semiángulos de las hileras.

El aumento de los semiángulos de las hileras, propuesto para las primeras pasadas, se realiza bajo la base que para ángulos pequeños (menores a 10°) existe una predominancia de la fricción y que esta promueve el desarrollo de una fuerza de tiro excesiva. Al aumentar el semiángulo de la hilera disminuye drásticamente la fricción y en respuesta a ello, la energía disponible se utiliza para aumentar la deformación por cizalle que genera un consumo energético por trabajo redundante, tal como se presentó en los antecedentes teóricos.

En la gráfica de la Figura 5, se muestran la distribución actual de la planta (línea continua), donde se destacan las reducciones en los últimos pasos, esta configuración es utilizada para evitar el cambio de todos los dados de trefilación cuando se deseaba llegar a mayores diámetros finales, es decir trabajan con 8 hileras en vez de nueve. Este procedimiento se realizó bajo la premisa de que la influencia que tiene el trefilado en seco no es relevante en la trefilación en húmedo. Además, en la misma grafica (Figura 5) se muestra una configuración distinta de reducciones para el trefilado en seco al cuantificar los esfuerzos de trefilación en laboratorio se puede observar, que en las etapas finales los esfuerzos disminuyen y son más constantes, con ello se espera disminuir la probabilidad de corte durante el proceso posterior del trefilado en húmedo.

En la Figura 6 se presentan límites elásticos del alambre en cada paso de trefilación, donde se observa, que con la configuración propuesta el alambre no se endurece en la misma medida que van en aumento las tasas de reducción, caso contrario a lo que ocurre en la configuración actual (antes de la propuesta). Lo más relevante fue que el alambre, después de la trefilación, alcanzó un límite elástico de 951 [MPa], mientras que antes de la propuesta presentaba 1059 [MPa], entregando a trefilación en húmedo un alambre más blando.

Prueba Industrial

Con el afán de corroborar los resultados obtenidos a escala de laboratorio, es que se realizaron pruebas de trefilación a nivel industrial, empleando acero de las mismas características de los que se realizó el clasificado de cortes. La comparación de los resultados obtenidos en laboratorio y los obtenidos en la prueba industrial con la configuración propuesta, se presentan en la Tabla 2. Los resultados ahí presentados corresponden al promedio obtenido tras 5 probetas ensayadas de áreas. Antes (actual) y después de la propuesta.

De la Tabla 2, se puede comentar que resultados concernientes a límites elásticos y resistencia a la tracción de las pruebas de laboratorio e industrial son concordantes el uno con el otro, corroborando lo mencionado con antelación, dado que el acero posee una baja sensibilidad a la velocidad de deformación ^5-7. Relativo a la reducción de área se aprecia que las muestras obtenidas luego de las pruebas industriales son mayores a los emanados por las pruebas de laboratorio. Lo anterior se justificaría en el aumento de temperatura que se produce a altas velocidades de trefilación ⁸, este aumento en la temperatura, cercana a los 100 °C permiten un alivio de tensiones ⁹, lo que provocaría un aumento en la ductilidad (mayor reducción de área del material trefilado), sin disminuir de manera importante límite elástico y la resistencia máxima a la tracción.

Finalmente, se realizó una prueba industrial de trefilación en seco, con la configuración propuesta, pasando a través de las hileras 50 toneladas de acero, de la misma colada, evaluando así su comportamiento durante el trefilado en húmedo. En la Tabla 3, se muestran los cortes por tonelada bajo la configuración antes y después de la propuesta, observándose una mejora cercana al 45%, y si se considera que cada corte en trefilación en húmedo significa cerca de 25 minutos de detención de la máquina, la productividad de la planta debería haber aumentado de manera considerable.

Con los resultados obtenidos, se tomó la decisión de cambiar la configuración de las hileras de trefilación en seco, de acuerdo con lo presentado en la propuesta. Después de dos meses de funcionamiento se pudo concluir que existió un aumento de la producción estimada cercana a las 90 toneladas mensuales, sin embargo, las variables de proceso son tan amplias, que poder evaluar de buena forma el aumento de productividad solo a esta mejora es difícil. No obstante, se evaluó el consumo de hileras en la trefilación en seco que era de 0.29 hileras por tonelada procesada y con la propuesta bajo a 0.15 hileras por tonelada procesado, es decir existe un ahorro importante en el consumo de hileras cercano al 50%.