Ingeniería Básica de Trenes de Laminación en Caliente

Laminación / Hot Rolling

ATEC+ID proporciona proyectos de ingeniería básica de Trenes de Laminación en caliente para perfiles, donde se definen los parámetros y capacidades relevantes, entre una serie de opciones, para que posteriormente se pueda desarrollar la ingeniería de detalle y construcción.

LAMINACIÓN SIDERÚRGICA y ATEC+ID

ATEC+ID dispone de larga experiencia en el sector siderúrgico, especialmente en laminación en caliente de perfil estructural. La actividad de los trenes de laminación de acero en caliente integra diferentes aspectos del plano estratégico-comercial, productivo y tecnológico de las empresas, y todos ellos han evolucionado mucho en las últimas décadas.

Cada grupo industrial adopta las estrategias que le convienen en cada momento o las que simplemente decide seguir, que por la naturaleza propia de la laminación en caliente, suele llevar consigo cambios organizativos, necesidad de evolución técnica y humana, y en ocasiones cambios productivos y/o técnicos y/o tecnológicos. Estos cambios son complicados de realizar en plazos cortos cuando no se dispone de ayuda externa, porque la actividad habitual absorbe los recursos disponibles. Sin embargo, tanto para abordar la forma de trasladar los cambios a las personas de niveles intermedios y nivel de planta, así como para realizar cambios de proceso a través de modificaciones de trazados/cilindros, o desarrollar nuevos trazados (incluso nuevas secciones iniciales), lo más conveniente es disponer de la ayuda de una consultoría como la nuestra.

A nivel estratégico la empresas se están moviendo entre abordar la

  • laminación de nuevas secciones (proporcionamos ingeniería de detalle),
  • en compatibilizar trazados para diferentes secciones finales y diferentes secciones iniciales (proporcionamos ingeniería de detalle),
  • en reducir los recursos necesarios actualmente a través de la simplificación del utillaje y su montaje (proporcionamos ingeniería de detalle),
  • en la mejora de la productividad, en la reducción de consumos,
  • en la simplificación del proceso y reducción de tiempos de parada,
  • en la reducción de mermas y consumo energético,
  • en la mejora de la calidad obtenida en colada continua, 
  • en el paso a la laminación templada (warm rolling) (1100 ºC) y
  • en el traslado de la actividad a países más baratos.

En una empresa, incluso para cualquier multinacional, estos cambios tienen gran repercusión mediática, económica y humana, por lo que dadas las dificultades para desarrollarlo todo internamente, se hace muy interesante la colaboración de ingenierías externas especializadas, desde la consultoría hasta la provisión de planos de mecanizado, pasando por diseño, que es lo que ATEC+ID le ofrece. Hemos trabajado a todos los niveles con diferentes partes del mercado siderúrgico, y en varios continentes por lo que contamos con valiosa experiencia, conocimiento tecnológico y capacidad técnica.

Los planteamientos estratégicos de alto nivel han tenido históricamente una fuerte influencia de las Administraciones de cada país, sin embargo hoy en día existen grupos con un gobierno corporativo propio, capaz de decidir sobre diferentes direcciones que tomar respecto del entorno y del mercado. tmabién en ese ámbito, ofrecemos un amplio abanico de posibilidades de colaboración, como en la organización y seguimiento de Benchmarkings (no solo técnicos), en las políticas organizativas a desarrollar, etc. 

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La reingeniería de procesos es fundamental en la vida de un tren de laminación, ya que las evoluciones y cambios se reflejan, por ejemplo, en la maquinaria, en los productos y en las gamas de producto. El objetivo de la laminación es siempre dual, 

  • Obtener unas dimensiones geométricas precisas, con un acabado superficial de buena calidad
  • Obtener un material conforme a la calidad de acero prevista

Los cambios en los procesos, además de las dimensiones de los perfiles, afectan también a tiempos, velocidades y temperaturas, que son una parte básica y primaria de las variables clave que afectan a ambos objetivos de la laminación.

Con esta sección queremos mostrar nuestra experiencia y describir en qué consiste la laminación en caliente de perfiles, sin entrar a valorar otros procesos como es la fabricación del acero a nivel de acería,  o de colada continua salvo en aquellos aspectos tecnológicos y de calidad que consideramos relevantes para el posterior calentamiento y laminación.

¿Qué es la laminación en caliente?

La laminación en caliente se refiere normalmente al acero, aunque también al aluminio, sin embargo aquí sólo trataremos el acero, y muy especialmente enfocado al acero general utilizado en la construcción, tanto en calidades comunes como acero microaleado. La laminación busca obtener secciones o perfiles con diferentes formas a partir de una sección inicial más gruesa, con un acabado externo rugoso típico de la fundición y una estructura interna basta, haciendo pasar estas secciones entre rodillos y/o cilindros, denominados comúnmente cilindros de laminación alojados en lo que se denominan cajas de laminación.

 

Hot Rolling of Steel Sections

Perfil acabado en caliente

 

¿Cuál es el objetivo de la laminación y el producto laminado?

La laminación tiene dos objetivos claves:

1. Obtener una estructura metalúrgica del acero adecuada para obtener las propiedades mecánicas y químicas demandadas, cumpliendo las condiciones exigibles a través de las normas de producto.

2. Obtener una sección geométrica de acuerdo a las normas de calidad aplicables a dimensiones, tolerancias y acabado superficial.

Normas de producto

Tabla de calidades de acero según EN 10025

Finished product

Perfil estructural para la venta

 

¿Cómo se logra esa estructura metalúrgica?

La estructura metalúrgica del acero se refiere a la forma en que se define la disposición de los elementos químicos como constituyentes del material acero. El acero es un material amorfo, de ahí que se habla de microestructura para referirse a la disposición en agrupaciones de granos poliédricos o cristales, que tienen diferentes orientaciones dando como resultado un material metálico policristalino. Ahora bien, esas estructuras tienen una serie de preferencias en función de los elementos de combinación, en este caso el principal será el carbono C, y de la temperatura a la que se encuentre el material, a estas estructuras también se les denomina fases. Las diferentes microestructuras que adopta o puede adoptar el acero se producen por un enfriamiento desde su estado de fusión. A temperatura ambiente únicamente la austenita no se corresponde con un acero al carbono, y para ello es necesario níquel, que la hace estable dando lugar a los aceros inoxidables, que tampoco trataremos aquí.

 

Steel Chemical Composition

Horno Eléctrico de Fusión (en inglés EAF) de tipo OBT con bóveda giratoria

Continuous Casting

Paso del acero líquido del tundish o distribuidor a una lingotera de Colada Continua para solidificación

En esta descripción del proceso de laminación en caliente de acero no vamos a explicar la fabricación del acero, salvo aquellos detalles que estimamos importantes y que tienen consecuencias determinantes sobre el producto laminado, sobre cómo se obtiene o sobre cómo puede afectar a la calidad. 

El acero producido en una colada continua no tiene una estructura uniforme de grano, lo más típico es que presente una estructura en base a granos verticales y grandes, en el sentido de la solidificación. Esta estructura es frágil, con fronteras de grano débiles. Sólo en la zona central existirá una zona de grano desorientado.

La laminación se realiza en presencia de diferentes fases, Austenita, Cementita y Ferrita fundamentalmente, trataremos de evitar la martensita, bainita y cementita, y buscaremos terminar con una estructura repartida entre Ferrita, Perlita (mezcla de ferrita y cementita) y Cementita. El acero común, en todo el mundo se identifica como acero bajo en carbono, clasificación válida hasta un 0,3% de C, aunque lo habitual es que su composición sea de entre el 0,08% y el 0,1% de C, hasta el 1,65% de Mn y un máximo del 0,6% de Si. Cuanto más C, más perlita y menos ferrita, que es blanda y dúctil. La laminación se realiza por encima de la temperatura de recristalización, lo que permite romper la estructura anterior, para generar una nueva, mucho más fina y uniforme, con fronteras de grano mucho más resistentes, incluso puede romper inclusiones, repartiendo sus restos por la estructura.

Para lograr que la estructura sea la adecuada es importante que los ajustes de composición guarden ciertas reglas, muy especialmente respecto de elementos residuales que pueden fragilizar el material o generar formas microestructurales que la favorezcan. Además, es importante que el bloqueo de la estructura (si es necesario para calidades mejoradas) o del tamaño de grano se realice en el momento adecuado al final de la laminación en caliente, para ello se utilizan la composición química (microalenates) y los tratamientos termomecánicos (siglas en inglés TMT), y no olvidaremos que en ciertas partes del proceso se pueden dar condiciones no deseadas de tratamiento térmico, como puede ser el horno de recalentamiento, la refrigeración de colada continua, la refrigeración tras la laminación u otros.

¿Cómo se logra la forma geométrica?

Este será uno de los campos más importantes en que nos detendremos, ya que es una de las especialidades clave de ATEC+ID, y uno de los campos en que todas las empresas siderúrgicas trabajan porque incide directamente en la oferta que pueden realizar en el mercado o product mix, la calidad de acabado superficial e incluso determina su aceptación en la licitación de ciertos contratos.  

 

Initial Sections from the Continuous CastingInitial Sections stored

Obtención de la sección inicial (aquí Beam Blank) en Colada Continua y almacenaje

 

Lor perfiles, secciones, vigas, etc, se obtienen reduciendo los espesores de la sección inicial y distribuyendo la forma inicial convenientemente. Para ello tendremos en cuenta las propiedades mecánicas del acero en caliente, en todo el rango de temperaturas de entre 1280ºC y temperatura ambiente. Decimos temperatura ambiente, porque el perfil no define sus dimensiones hasta haberse enderezado, aunque el último gran conformado se realice habitualmente entre los 900ºC y los 1050ºC, e incluso se pueda bajar a los 780ºC. Las secciones iniciales son Slab, Bloom, palanquilla (billet), Beam Blank (o hueso de perro / dog bone), y Near Net Shape (Beam Blank de espesor inferior a 70 mm). El slab se utiliza en el método Kawashaki (Japón) y en Teeside (UK, de Tat Steel, antes British Steel) pero no lo trataremos aquí por minoritario y sin éxito relevante, sin embargo el bloom se ha utilizado mucho en todo el mundo para obtener secciones de perfiles grandes y la palanquilla para secciones pequeñas y especialmente los angulares y las U (channels), el hueso de perro o beam blank han sido el gran éxito para los trenes de laminación occidentales, ya que con menos recursos se puede obtener una mayor gama, con mayores productividades y menores costes, y finalmente los Near Net Shape que no han terminado de cuajar debido al enorme control que se ha de disponer en diferentes puntos del proceso especialmente en colada continua y que lo hacen muy susceptible a propagar y desarrollar defectos.

El material obtenido en la colada continua, acero por composición química y estructura, estructura muy basta con granos de gran tamaño, etc, se encuentra normalmente inicialmente a mediana temperatura (Entre 700ºC y 300ºC), por lo que puede destinarse a stock y enfriarse, o bien puede ser conducido directamente al horno de recalentamiento, donde se recalienta con una temperatura objetivo homogénea en la sección de entorno a los 1240-1250ºC. Existe también una variante de laminación denominada warm rolling en que esta temperatura inicial sería de entorno a los 1210ºC e incluso inferior.

El primer paso es conducir la sección inicial recalentada hacia la primera caja de laminación donde se aplicará la primera reducción de espesores y/o distribución de material. Lo más habitual ha sido entrar directamente en la caja de desbaste, en una canal con una cierta forma, aunque en los últimos años se ha introducido una caja anterior y/o simultánea para ajustar la anchura de la sección inicial, caja que se ha venido a denominar caja vertical o caja canteadora, y que es similar, en función, a las cajas para cuadrado en laminación de redondo. En estas cajas desbastadoras la variedad ha sido enorme, ya que se han utilizado tríos (tres cilindros ó tres alturas), dúos (dos cilindros), y todo ello con canales cerradas antes, y abiertas en los últimos años. Cabe señalar aquí que también se ha dado el caso de combinar canales abiertas y cerradas, tanto en occidente como en China, pero la complejidad superior y peores costes han desterrado los calibrados o canales cerradas, salvo casos especiales de laminación de carril o tablaestaca. 

Vertical or Edging Stand Pass

Pasada de laminación en Caja Vertical o Canteadora

 

La sección obtenida en esta fase se denomina Leader Pass, y es característica por una determinada razón, porque es la sección que con un cierta proporción geométrica entre las partes del perfil (alma y patas), permite obtener unas secciones con unas determinadas proporciones geométricas finales (alma y pata). Con esto lo que queremos decir es que la estructura inicialmente basta y con imperfecciones que viene del horno de recalentamiento (y colada continua), se conforma fuertemente en la etapa del desbaste y obtención de la leader pass, entendiendo por conformado el reparto de secciones de material a las partes del perfil, alma y pata aquí (en carril y tablaestaca habría que considerar sus partes correspondientes). Seguidamente, la leader pass pasa a reducirse en espesores por el método universal (Universal + Recalcado) reduciendo los espesores de alma y pata simultáneamente hasta obtener el espesor deseado en la caja acabadora también universal. Existen diferentes disposiciones y variantes en esta parte del proceso, especialmente en la laminación de U (channels) en cajas universales.

Leader Pass From the Breakdown Duo

Barra laminada en un desbaste, antes de pasar al grupo universal

 

Es muy importante cuidar ciertos aspectos en diferentes partes del proceso, por ejemplo, en el desbaste es importante cuidar la distribución geométrica del material para lograr un proceso estable respecto de las magnitudes geométricas a obtener y respecto de las correcciones a realizar si las hubiere. En la parte universal, será clave cuidar la proporción de reducción de espesores de cada parte del perfil, así como la estabilidad y velocidad del proceso, para evitar que cambios en velocidad-temperatura nos jueguen sorpresas dimensionales. A esto añadiremos, que es en esta parte final, y especialmente en la pasada acabadora, donde podremos determinar las propiedades mecánicas resultantes en el caso de aceros microaleados. En cualquier caso, la estructura metalúrgica del acero irá cambiando tanto por su caracterización como por el tamaño de grano, que se irá reduciendo aumentando la resistencia tanto por afino del grano como por la pérdida de temperatura. ATEC+ID sí ofrece servicios de ingeniería de detalle en todo este área de laminación en claiente o conformado del acero, a través del diseño de trazados, calibrados, cilindros, junto a sus guías, etc, ¡no dude en consultarnos!

Descripción de la maquinaria de un tren de laminación en caliente

La maquinaria de un tren de laminación de perfil estructural en caliente se refiere a los medios necesarios para lograr tanto el conformado del acero como su acabado para unas condiciones de entrega óptimas. La descripción de cada máquina se describe en la sección "Cajas del Tren de Laminación", que aquí describimos brevemente. 

Para el recalentamiento de las secciones o barras de colada continua se utiliza un horno para los que existen diversas tecnologías, de entre las cuales se ha impuesto el horno galopante "digital", como la más económica en el ciclo de vida y la que facilita mayor calidad. Consiste en un horno cuyas zonas de calentamiento están separadas y funcionan a tope, o no funcionan, y donde las barras están separadas unas de otras, lo que facilita un aprovechamiento calorífico mayor y un calentamiento más rápido y homogéneo.

Reheating Furnace

Descarga de palanquilla de un horno de laminación

 

Las cajas de laminación son diferentes en la zona de desbaste y en la zona universal, en el primer caso actualmente se utilizan dúos reversibles, con reglas de guiado automáticas en la entrada y salida, para aplicar una secuencia de varias pasadas haciendo pasar la barra por diferentes canales mecanizados en los cilindros. Estos cilindros se accionan por medio de un motor con o sin reductora, últimamente sin ella, motores que son de gran envergadura y cuyas características y electrónica de control dependen de la aplicación, esto es, de la magnitud y condiciones de conformado que queramos aplicar, que definirá una potencia y par necesarios, velocidad, etc. En esta caja el motor debe dar una alta potencia (o la nominal) a velocidad mínima ya que la velocidad de laminación suele ser variable para la misma pasada, siendo muy baja a la entrada, acelerando tras el agarre a la entrada hasta velocidades que suelen situarse entre 1,5 y 6,5 m/s para secciones medianas-grandes. La velocidad suele ir aumentando con las pasadas, lo mismo que la longitud de la barra, ya que los espesores se reducen aumentando la longitud de la barra. Cuando se coloca una caja vertical anterior al desbaste, la función suele ser la de ajustar la anchura de la sección en una o varias pasadas, y para ello se suele utilizar un motor de menor tamaño y prestaciones.

 

Walking Beam Reheating Furnace

Mecanismos claves de un horno galopante (walking furnace)

 

En la sección universal se disponen cajas universales y cajas recalcadoras, bien una y una, o bien en tándem Univ - Recalcadora - Univ, de tal manera que en el primer caso es necesaria una caja universal acabadora, y en el segundo puede existir un grupo Recalc - Univ final o situar la caja acabadora como la segunda caja universal del tandem, que es la denominada laminación en X-H, consultar la sección "Diseño de Pasadas" para mayor detalle. En esta parte los motores de las universales son mucho más potentes que los de las recalcadoras por razones obvias, no olvidemos nunca que el esfuerzo requerido depende de las características de la reducción a aplicar (material, temperatura, magnitud de la reducción, y velocidad), y que dichas características tienen segundas variables dependientes de las cuatro citadas. El motor de una caja universal acciona los cilindros horizontales que son los que arrastran la sección entre los cuatro cilindros, ya que los verticales son rodillos locos. La caja recalcadora puede disponer de diferentes formas de cilindros, fruto de los desarrollos que se han ido realizando para tratar de obtener un buen acabado de las puntas de las patas y una simetría perfecta, respecto de la altura de las patas. Las velocidades habituales en un grupo universal van desde los 4 m/s en primeras pasadas de un comienzo de campaña, hasta 15 m/s de una caja acabadora con un perfil mediano.

 

Compact Universal Roughing Stand Rolls Set

Conjunto de cilindros y guardas de Caja Universal Compacta

 

Existen también trenes de laminación de perfil continuos, aunque prácticamente se reducen a trenes para secciones pequeñas (hasta 200 mm), o secciones angulares y U (channels). Fuera de ese tipo de productos es raro encontrarlos, como algún caso en Japón. Los trenes de laminación continuos ofrecen un proceso mucho más compacto, pero mucha menor flexibilidad en cuanto a la gama obtenible en ellos, y en general, han ido desapareciendo de los países con tecnología más avanzada, ya que la U ha pasado a laminarse en trenes universales y el angular a pasado a trenes para secciones comerciales.    

En cualquiera de las cajas es muy importante el posicionado de los cilindros, que es automático, pasada a pasada. En el desbaste este posicionado puede admitir una tolerancia de precisión de entorno a 1 mm, pero en las cajas universales esta precisión debe reducirse mucho, y en cualquier caso ser repetitiva, esto es, no cambiar entre ciclos de pasadas o barras. En la caja acabadora esta tolerancia debe ser mínima lo que complica y encarece mucho esta caja cuando se utiliza en tándem aplicando varias pasadas, y es la razón por la que la caja acabadora se suele situar separada. Esto facilita asimismo el control de la variación en las medidas resultantes, producto del desgaste de cilindros, que es mínimo cuando se aplica una sola pasada, muy diferente de la laminación X-H en que el desgaste es mucho mayor para la misma calidad de cilindros.

Todas las cajas deben disponer de sistemas de guiado para las barras, que aseguren una correcta entrada de la barra en los cilindros. Estos sistemas se componen de guías que normalmente tratan de centrar la entrada de la sección en los cilindros, y que se han de mover con ellos, cuando son móviles. Los sistemas de accionamiento suelen ser tanto electro-mecánicos como hidráulicos. El guiado marca la diferencia en la calidad del perfil obtenido, y muy especialmente en la estabilidad dimensional obtenida en el proceso. Se realizan continuos avances en este campo, muy especialmente en la actualidad, para lograr un posicionado y montaje/ajuste rápido y preciso.

 

Guards

Montaje de guarda para cilindro inferior de caja universal acabadora

 

La refrigeración es clave en las cajas de laminación, siendo determinante para la velocidad de desgaste de los cilindros y para asegurar la ausencia de episodios de roturas de cilindros, etc. Hay tres aspectos donde enfocar la atención en la refrigeración: La superficie de los cilindros de laminación, las ampuesas (cajas de rodamientos), y el utillaje. En cada caso la función de la refrigeración tiene un objetivo preciso.

Tras la obtención del perfil en caliente, la barra se deja enfriar, se refrigera aceleradamente y/o se corta en caliente a medida del cliente. Si la barra larga se deja enfriar, después se endereza y se corta enfrío, y si se corta en caliente, después se endereza. 

La calidad del acero

La refrigeración rápida tras la última pasada se enmarca en los denominados tratamientos termomecánicos, y lo que busca es aplicar esa última pasada a baja temperatura (normalmente por debajo de 940ºC) y bloquear el tamaño de grano refrigerando aceleradamente. Esta práctica se suele utilizar para la obtención de los aceros S 355, S 420 y S 460, además de una composición química adecuada. También se utilizan otros tratamientos termomecánicos, como es la aplicación del último conformado a determinadas temperaturas, que serán las indicadas según el tipo de microaleante (V, Nb o Ti), y la calidad de acero a obtener. Cuando lo que se buscan son propiedades mejoradas de impacto, especificadas por la terminación J2, J3, etc, se puede utilizar cualquiera de los microaleantes citados, pero para el vanadio y niobio no serviría de nada si no se aplica la última pasada por debajo de 920-940ºC para el primero y 950 - 975ºC generalmente para el segundo, que debido a su precio, no se suele utilizar como único microaleante sino en combinación con vanadio e incluso con titanio. Para aumentar la resistencia y límite elástico de los aceros S 275 hacia los aceros S 355 de la norma europea EN 10025 y/o aceros A 572 de la norma americana ASTM, se utiliza la práctica señalada anteriormente.

Pero la calidad del acero no se refiere solamente al grado del acero, ni a las propiedades que se pueden conseguir con una misma composición química, sino también a la calidad dimensional, de forma y de acabado superficial. Aquí tratamos los aspectos dimensionales y de forma dentro de los diseños de pasadas, que son determinantes para ello, y el acabado superficial lo tratamos globalmente, ya que aunque es muy importante el diseño de pasadas, hay aspectos de la colada continua que pueden influir hasta el punto de determinar dicho acabado superficial.  

 

Los procesos de terminación o finishing mill

Tras la obtención del perfil en caliente comienzan una serie de procesos en los que se combina el enfriamiento con transformaciones metalúrgicas. Durante el enfriamiento se producen cambios de gran magnitud en la estructura del acero, por lo que es aconsejable no interferir en ellos, por ejemplo a través de una refrigeración forzada muy drástica porque el resultado puede ser negativo. Hay determinados rangos de temperatura que es mejor respetar en cuanto a nuestra acción sobre el perfil, y otros en los que nuestra acción no supondrá riesgo alguno. Cuando obtengamos una temperatura del acero inferior a los 100ºC en su interior, podremos comenzar con el proceso de enderezado, proceso que es mejor realizar sobre la barra completa antes de cortar, para evitar la cantidad de puntas de barra sobre las que la acción posible es reducida.

 

Sections Cantilever StraightenerSections Straightener

Dos tipos de enderezadora de rodillos

 

El marcaje de las barras se realiza inmediatamente después de la última pasada, normalmente a la entrada del enfriador, o bien de manera indeleble tras el enderezado, aunque se han desarrollado tecnologías para hacerlo en caliente, tras la última pasada, pero son caras.

El proceso de corte presenta sustanciales diferencias si se realiza en frío o en caliente. El corte en caliente es más rápido y de menor coste, pero puede limitar la capacidad productiva y la calidad del enderezado, mientras que el corte en frío suele ser de mayor calidad, más caro y también puede ser cuello de botella del proceso. En cualquier caso, la tecnología suele ser la de corte abrasivo con dientes de sierra en disco para el corte en caliente y tanto de disco de sierra como de cinta de sierra para frío. En el corte es importante la calidad de la herramienta, la potencia del motor y la forma del diente, para determinar nuestra capacidad de avance en el corte y por ende la velocidad de corte.

 

Cooling Bed & Cutting Capacity Assessment

Enfriador de un Tren de Laminación y Evaluación del Margen de Tiempo en el Corte en Frío para 200 t/h

 

Posteriormente las barras se organizan en mantos que se apilan en varias filas para forman paquetes, que quedan atados con alambre o con fleje, y etiquetados conforme a la trazabilidad y datos de producto. El etiquetado suele ser la imagen visible tanto del sistema de calidad de producto y del sistema de gestión de la calidad, normalmente según ISO 9001, y también del sistema de control de la producción, e incluso de datos para el ERP general de la empresa.

La información en un tren de laminación

La información en un tren de laminación se caracateriza por tener muy diferentes tentáculos, que vamos a tratar de exponer con sentido. El proceso ofrece características muy apropiadas para sistemas de gestión y organización tipo Lean Manufacturing y sistemas de calidad total (TQM) e incluso six sigma o Lean Six Sigma (LSS), aunque tanto estas herramientas como la informatización de los sistemas y procesos es relativamente reciente y casi inexistente en buena parte del mundo no occidental. La entrada de información para producción viene generada desde comercial y/o logística con los pedidos de los clientes que entran en el sistema de planificación y programación de la producción, que va organizando y determinando las campañas productivas por perfil y tamaño. Este primer orden puede seguir ciertas reglas como son el menor número de cambios de cilindros a realizar, o el tamaño necesario para dar tiempo a realizar el montaje fuera de linea, etc, contenidos que están derivados de la tecnología y recursos disponibles y dedicados. El programa validado es recibido por la acería, que pasa a programar materias primas (chatarra, cal, microaleantes, etc) para las coladas necesarias (lotes de x toneladas, normalmente entre 100 y 200 t), con las longitudes de la sección, calidad de acero y longitud a obtener en colada continua. Hoy en día se tiende a sincronizar la producción de la colada continua con el tren de laminación con el objetivo de sacar provecho de la carga en caliente de las barras en el horno de recalentamiento del tren de laminación. Esta sincronización no es sencilla, porque tanto la colada continua dispone de productividades establecidas para secciones, y el tren de laminación también dispone de productividades óptimas por perfil, lo que obliga adaptaciones, que en muchas ocasiones exige alternar carga en caliente y carga en frío. La preparación del montaje de cilindros de laminación y utillaje (guías), se realiza en base a la programación establecida y los cilindros disponibles, derivándose las diferentes planificaciones y programaciones de mecanizaciones y montajes, que están sometidos a diferentes plazos para un mismo perfil, tanto por método de mecanización como por tiempos necesarios de montaje.

Este tipo de planificación que se ha descrito, se adapta muy bien al mercado y servicio occidental (Europa, USA, Japón, etc), e incluso otras partes del mundo pero es muy diferente en la mayor parte de China. En China hay muchas empresas que se centran en laminar muy pocos perfiles, pero en grandes cantidades, logrando una alta eficiencia en sus instalaciones, pero careciendo individualmente de un abanico mínimamente aceptable de oferta. Esto lo suplen porque están organizadas entorno a asociaciones industriales de controladas estatalmente, por lo cual, no están compitiendo entre ellas en el mercado sino generando una oferta común para el mercado. Ciertamente existen muy variadas formas de organizar y planificar la producción, pero todas ellas están muy enfocadas al mercado y al cliente, por eso se imponen los sistemas de gestión y organización 

El tren de laminación recibe barras de colada, con tres datos clave, número de colada, calidad y longitud, que pasa a laminar en cuanto salen del horno entorno a los 1240ºC habitualmente. El horno recoge información muy valiosa, como es el consumo de gas, y si hemos desarrollado los programas adecuados, podremos conocer todo el histórico de las circunstancias del calentamiento en cualquier momento. Para calentar, el horno debe disponer de las curvas ideales de calentamiento, que recogen las temperaturas objetivo a alcanzar al final de cada zona, siguiendo una dinámica tipo, junto a diversos sistemas para el control de la combustión como sistema en base a PID con corrección continua o de tipo digital (todo o nada), complementado por fuzzy logic para recoger prácticas ante determinadas circunstancias y/o técnicas similares. El material introducido puede ser registrado en el mismo horno, pero también puede ser tomado del sistema informático de colada continua, que a su vez ha registrado su producción, y que puede haber recogido todas las condiciones de proceso en su fabricación. No hay razón técnica para no disponer de una trazabilidad completa y consistente.

 

Información Bidireccional

Información del Tren de Laminación para control de operaciones

Las barras comienzan a ser conformadas según lo que se denominan "programas de pasadas" de cada caja de laminación para un perfil determinado, programas que están registrados en los sistemas y que son producto de un cálculo inicial y depurados por la experiencia y práctica industrial. Cada programa se puede alimentar a su vez de los registros de consumo eléctrico de los motores, y de las condiciones de laminación como temperatura en diferentes puntos, calidad de acero, etc, siendo imprescindible el control de calidad del perfil acabado (geométrico y de calidad superficial), que debe incluir también las condiciones de proceso que según las normas de calidad aplicables y exigibles, como la temperatura o tratamiento termomecánico. Con esos datos el responsable del tren toma las medidas oportunas para mantener el proceso bajo control.

Las barras laminadas se marcan en caliente con su número de colada, u otro distintivo asimilado, que permita seguir la trazabilidad a lo largo del proceso, e incluso cuando se aplica el corte en caliente, se pueden marcar cada una de las barras por orden.

El proceso de enderezado se planifica de manera similar al de utillaje (cilindros y guías), ya que viene determinado por la geometría de rodillos a utilizar y tiempo de montaje necesario. Actualmente lo normal es que este montaje fuera de línea se realice en pocas horas, y el cambio en línea se pueda realizar en 30 minutos. Para el enderezado se utiliza una serie de "presiones" o "distancias" previstas que determinan las curvaturas a que se somete la barra entrante para obtener una barra recta a la salida, que cumpla las normas aplicables y exigibles. Hay muchos aspectos que inciden en el enderezado, entre ellos, las dimensiones del perfil, por lo que es muy útil disponer de esos datos en el control del enderezado, lo mismo que las condiciones de enfriamiento y tratamiento termomecánico aplicado, si es el caso. A continuación se corta el perfil (caso de corte en frío), a medidas de pedidos de clientes, buscando las combinaciones de corte óptimas que ya han sido previstas desde la programación de la producción de colada continua, y se marcan todas las barras de manera indeleble.

Las barras se organizan en mantos y se apilan en filas hasta completar paquetes que normalmente no superan las 5 t, debido al estándar más extendido de las grúas de los almacenes, se ata, y se etiqueta el paquete, incluso algunos fabricantes etiquetan cada barra. Este etiquetado final es clave porque alimenta el ERP de la empresa (cumplimentación de pedidos, almacén, etc) y además alimenta el sistema de control de producción y sistema de calidad.

El sistema de calidad debe incluir, aportar y recoger variada información, partiendo de los pedidos y terminando por certificar el producto acabado, certificación que en el caso de ensayos especiales no es posible disponer en el momento dle etiquetado, por lo que puede existir una cierta producción virtual que gestionar.

Información y Procesos paralelos en un tren de laminación

Toda la planificación de utillaje (cilindros y guías) deriva de la gestión del parque de utillaje, gestión para la que existen diferentes sistemas. El tipo de gestión o práctica depende también de la gama de productos que se es capaz de fabricar y de la práctica financiera establecida. El sistema tradicional ha sido el de disponer de todos los cilindros de laminación necesarios para cada perfil laminado y sus guías, lo que lleva a una gestión de mecanizado por lotes y a una gestión del inmovilizado material por amortización y en su caso, provisiones. Sin embargo también existen otro tipo de gestión del utillaje, especialmente el referido a la gestión de cilindros, que se basa en disponer de pocas parejas de cilindros, que se van mecanizando a la medida inferior, campaña tras campaña. Esta práctica permite disponer de muy pocos cilindros para las cajas universales, con la consiguiente reducción del stock de cilindros, y de su valor y coste financiero, de la misma manera una programación de la producción muy sencilla y predeterminada, pero presenta dos grandes problemas. El primero el derivado de la necesidad de producción a stock y la imposibilidad de producir a pedido, ni capacidad de flexibilidad ante pedidos, y la segunda un enorme riesgo ante incidencias no deseadas como la rotura de cilindros, y ambas circunstancias determinan la imposibilidad de implantar esquemas Lean Manufacturing.

 

Cutting SawsStacking Sequence

Corte a medida de pedido de cliente y operaciones de apilado y atado de paquetes

 

Los cilindros se mecanizan conforme a una geometría determinada por la tecnología de la empresa, que materializa la forma en que se conformará el material para obtener el producto final, y que se expresa en varios soportes, en planos constructivos y de mecanizado para cilindros y guías, en tablas de montaje de cilindros, en planos de diseño en soporte informático, en tablas del estado del stock de cilindros, etc. Hoy en día es habitual que se puedan tomar los planos de mecanizado desde los tornos, rectificadoras, etc, pero el resto de información no es tan habitual que se encuentre gestionada en soporte informático, quizás sólo desarrollos únicos para la gestión del stock y mecanizado de cilindros.

El mantenimiento de un tren de laminación es clave, porque todos los trenes de laminación son proyectos únicos, al menos en occidente, y como tales están constituidos por maquinaria e instalaciones normalmente diseñados y construidos con soluciones únicas y bajo pedido. Cuando se habla de industria pesada, normalmente se refiere a grandes magnitudes en sus procesos industriales, magnitudes en muchos casos derivadas de asumir condiciones de proceso de difícil estimación o en el límite del control y manejabilidad. Este tipo de industria normalmente trabaja con grandes inversiones y márgenes ajustados en medias plurianuales, por lo que requiere de una alta tasa de utilización para ser eficientes y rentables. En este escenario, se pueden aplicar diversas prácticas de mantenimiento como reponer lo que se rompe, o bien evolucionar hacia el mantenimiento predictivo, cuestión necesaria si se quiere mantener un certificado de calidad tipo ISO 9001. Casi todas las instalaciones de un tren de laminación son susceptibles de encontrar un determinado evento que las coloca en una posición débil respecto de su condición de uso, en un entorno en que todo se trata de exprimir, lo que unido a su personalización, hace que sea necesario personal y conocimientos específicos.

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