UPCAST®- SGTube: nueva tecnología "near net shape" para la industria de tubos DHP multipropósito.

Juan Carlos Bodington y Matti Nordman
UPCAST OY, Finlandia

RESUMEN
Actualmente el principal campo de aplicación de la tecnología UPCAST® es la fabricación de alambrones de cobre y sus aleaciones, siendo la industria de alambres y cables el mayor consumidor de estos productos. No obstante, esta tecnología ha sido usada para colar tubos desde final de los ´70, pero la estructura de grano grueso del producto colado limitaba su utilización a la fabricación de conexiones y accesorios para tuberías debido a lo inconsistente de los resultados en trefilación. El equipo de I&D de UPCAST OY ha desarrollado una tecnología que permite la colada ascendente de tubo DHP de grano fino, habiéndose comprobado su comportamiento en trefilación en spinner blocks convencionales, obteniéndose resultados de muy alta calidad en tubos con espesor de pared de hasta 0,4mm.

INTRODUCCIÓN

Se estima que el descubrimiento del cobre nativo, o como se extrae de la mina, fue accidental, en Europa y en Asia en el lapso de tiempo comprendido entre el 12000 y el 8000 A.C. El inicio del empleo del cobre se atribuye a los sumerios, y hacia el 3000 A.C. los egipcios ya utilizaban el cobre en una variedad muy amplia de objetos creados para satisfacer las necesidades de la vida cotidiana, pudiéndose comprobar que en el año 2700 A.C. los tubos de cobre ya eran usados por esa civilización para transportar agua para beber y productos sanitarios (1).
Actualmente las tuberías de cobre se utilizan en una multitud de aplicaciones, destacándose las de tipo sanitario, refrigeración y aire acondicionado, intercambiadores de calor, transporte de gases (combustibles, industriales y médicos) y generación de energías alternativas. Son fabricadas principalmente mediante dos métodos de manufactura: el método convencional por extrusión y el método Cast and Roll (Endless Casting Rolling Copper Tube).
En el método convencional por extrusión, un billet de cobre DHP es colado típicamente de manera semicontinua y luego cortado a medida para la prensa de extrusión. Luego es calentado hasta la temperatura de plasticidad (alrededor de 800ºC) y alimentado a la prensa, donde el tubo madre es extruído. A continuación este tubo madre es laminado en un laminador de tipo peregrino, después de lo cual el producto está listo para los subsiguientes pasos de trefilación.
En el método C&R (ECRCT), un billet hueco es colado de manera continua. Luego, su superficie es cepillada y el producto resultante - con una superficie brillante ­ es alimentado a un laminador planetario, de donde surge un tubo listo para las subsiguientes etapas de trefilación. Esta segunda secuencia de procesos representa grandes ahorros en términos de inversión total, rendimiento y costos de producción.
Desde finales de los ´70 se ha colado tubo con tecnología UPCAST® . Sin embargo, el tamaño de grano de la estructura colada era muy grande para lograr resultados satisfactorios de manera consistente en la trefilación, haciendo que el material fuera aceptable solo para la fabricación de accesorios (uniones, Tes, codos).
En vista al incremento de las exigencias en cuanto a impacto ambiental de los procesos y el cada vez mayor costo de la energía, el equipo de I&D se propuso aprovechar las ventajas inherentes del proceso UPCAST® , incluída la tecnología GREENerCAST, para colar un tubo con estructura de grano fino que fuera trefilable de manera convencional, mediante el rediseño de los patrones de enfriamiento y la creación de nuevos pasos de colada. Los resultados de ese proyecto, al cual se denominó SGTube, se presentan a continuación.

UPCAST® EN SINTESIS

El proceso Upcast® fue inventado por Outokumpu OY, Finlandia, a finales de los 60's, y desde entonces esta tecnología, basada en la técnica de molde sumergido, ha evolucionado hasta convertirse en un sofisticado sistema de colada automático controlado por ordenador, siendo utilizado principalmente para cobre, sus aleaciones, cinc y metales preciosos. En la figura1 se muestra un diagrama simplificado de los elementos clave del proceso, incluyendose el molde de grafito (dado), región inferior del enfriador primario, eje de tracción y roldana de presión. También se muestran el nivel relativo del baño y el frente de solidificación.

Se da partida al proceso de colada con la inserción de una barra de acero ("caña de pescar") que en su extremo tiene roscada una punta de cobre o acero ("carnada"). Una vez la barra es insertada, el metal fundido se solidifica sobre la carnada, y la caña es halada hacia arriba en pasos discontinuos por el eje y la roldana de la máquina de tracción. Cuando el alambrón o tubo pasa la máquina de tracción, la caña es removida y la carnada cortada. A partir de este momento el proceso es automantenido y el producto colado del diámetro y forma deseado se enrolla usualmente en bobinas (2).

Las variables más relevantes del proceso Upcast" pueden ser representadas como parte de un triángulo que es alimentado por un lado por materia prima de calidad adecuada y como salida tiene el producto colado (fig. 2).

Esta representación resalta las relaciones existentes entre las variables de proceso, incluyéndose la velocidad de colada, el intercambio de calor, la presión metalostática, el programa de tracción y la concentración de gases. Las fluctuaciones de una - o varias ­ de éstas puede afectar la estabilidad del proceso y en consecuencia la calidad del producto final (2).

Fig.2. Triángulo de proceso UPCAST®

COLADA ASCENDENTE DEL TUBO

El equipo de I&D de UPCAST OY preparó un arreglo de equipos relativamente simple para las experiencias de desarrollo.

Desde el punto de vista de los componentes:

Horno de canal de 10 Tm (Cu), 400Kw (configuración combinada para fundición y colada).
Máquina de tracción con capacidad de colada de dos tubos de manera independiente, utilizando sistema servo tipo Mokkula 4W.
Enfriadores primario y secundario, y dados UPCAST® diseñados para colada de tubos 38OD x 33ID.
Enrollador multidiametro UPCAST® normalizado y dispositivo de control de velocidad
Equipo de seguridad normalizado
Herramientas varias

Se utilizó como materia prima cátodos grado A de New Boliden, Pori, Finlandia. No fueron usados afinadores de grano, más que el propio fósforo, cuyo valor residual se mantuvo entre 180 y 200ppm.

La temperatura del baño, el flujo y la temperatura del agua de enfriamiento fueron controlados de manera precisa.

Se fijó como objetivo primario lograr una estructura de colada de grano pequeño que fuera trefilable con equipos convencionales, con suficiente calidad para la fabricación de tubos ACR de pared delgada.

Objetivos secundarios incluyeron la medición del consumo energético y la estimación de costos de producción.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Después de varios meses de diseño, construcción de componentes y pruebas se logró parametrizar el proceso de manera de conseguir una estructura de grano pequeño a todo lo largo de la campaña de colada. En la figura 3 se observan de manera comparativa la estructura inicial de grano grande y la estructura conseguida de grano pequeño.

Fig. 3. Sección transversal de tubos colados. a.- UPCAST® convencional.
b.- UPCAST® -SGTube

La química es igual para ambas muestras. No obstante, se notan diferencias importantes en el tamaño y uniformidad de distribución de los granos. En la muestra "a", colada con tecnología UPCAST® convencional, se observan mayoritariamente granos grandes, que atraviesan totalmente la estructura, desde su cara externa a la interna, haciendo que el material sea particularmente sensible a la trefilación y al doblado. Cualquier grieta intergranular entonces se propagará fácilmente creando un pasaje entre el interior y el exterior del tubo, fisura que significará roturas en trefilación o el rechazo por calidad del producto final. En la muestra "b", colada con tecnología UPCAST® -SGTube, se observa una distribución de granos muy uniforme. Éstos son en promedio entre 3 y 4 veces menores en tamaño que los de la muestra "a", siendo que en ningun caso hay granos que por si solos completen el puente entre la cara externa y la interna del tubo. A nivel micro tambien se observó una estructura dendrítica más fina en la muestra "b", lo que en conjunto con el tamaño y distribución de grano, hacía esperar un buen resultado a nivel de trefilación.

La trefilación fue realizada con spinner blocks en un total de 9 pasos, incluído un "sink pass", desde el diámetro inicial de 38 mm con pared de 2,5 mm hasta 8 mm con pared de 0,4 mm. Se realizó un recocido inductivo intermedio a 25 mm. Posteriormente, durante la preparación de bobinas, fue realizada la prueba de corrientes de Eddy, y como paso final se realizo el recocido "brillante".

A pesar de que en un inicio hubo que ajustar las reducciones de la trefilación primaria para adaptarlas a la estructura de colada, el resultado en 0,4 mm fue excelente, satisfaciendo todas las pruebas de calidad. En la figura 4 se pueden apreciar el tubo colado -a la extrema derecha- y algunos de los pasos de trefilación.

Fig. 4. Tubo colado (primero desde la derecha) y varios pasos de trefilación.

Con estas experiencias se logró cumplir con el objetivo primario, es decir, la producción mediante tecnología UPCAST® -SGTube de un tubo de estructura de colada "fina", listo para ser trefilado a dimensiones y calidad de tubo ACR.

En cuanto a los objetivos secundarios, se encontró que la transformación cátodo a tubo consume alrededor de 280Kwh / tonelada. Los cálculos fueron realizados "escalando" los resultados a un nivel de producción real, ya que en un horno de 10 toneladas podrían colarse simultánea e independientemente al menos 8 tubos, por lo que las pérdidas fueron ponderadas utilizando ese criterio.

En cuanto a costo de producción, la figura 5 puede dar idea del potencial de ahorro, al comparar los pasos de proceso de las tecnologías disponibles. Este ahorro es reforzado adicionalmente con el uso de la tecnología GREENerCast de UPCAST®.

Por último, pero no menos importante, está la significativa reducción del impacto ambiental del proceso al compararlo con las tecnologías actualmente en uso.

Fig. 5. Comparación esquemática de pasos de proceso de las tecnologías existentes.

CONCLUSIONES

El equipo de I&D de UPCAST OY demostró que su desarrollo - UPCAST® -SGTube ­ es capaz de producir tubos de cobre DHP de estructura colada de grano pequeño de manera consistente, con calidad suficiente para ser utilizados en la manufactura de tubería de cobre ACR.

El proceso SGTube y la tecnología GREEnerCast en conjunto fueron capaces de minimizar el consumo energético de la transformación cátodo-tubo madre, ubicándolo en
torno a 280Kwh/ton. Por otra parte GREEnerCast también significa emisiones de CO2 de nivel despreciable, al igual que la ausencia de desperdicios que requieran de tratamientos especiales, por lo que el impacto de SGTube sobre el ambiente es muy inferior al de las tecnologías actualmente en uso.

Se estima que el costo de operación estaría en torno al 30% del de las tecnologías más competitivas, siendo que el nivel de inversión por tonelada de capacidad será de 3 a 8 veces inferior.

RECONOCIMIENTOS

Los autores quieren agradecer a Timo Välimäki (Luvata Pori OY, Finland) por su valiosa colaboración.

REFERENCIAS

1.-Grupo Plumbisto. 2009. Historia del Cobre.

2.- Bodington, Juan Carlos. 2001. Manufacturing highest quality rod for the production of smallest size wires. Problem Solving in Wire & Cable Manufacture & Processing IWMA Educational Seminar, Singapore.