Las mazas varían de tamaño y la dimensión más frecuente es de 214 cm (84 pulgadas) de largo y un diámetro de 106 cm (42 pulgadas). Las mazas por lo general son fabricadas de hierro fundido de grano grueso para mantener una superficie áspera y en consecuencia una buena alimentación del molino.
En los guijos están montadas las coronas que transmiten el movimiento en el molino, cuando se encuentran en la maza superior, reciben mediante un acoplamiento el torque necesario para el funcionamiento del molino.
Desde el punto de vista de la forma de los guijos se realizaron estudios por Fernández [[5]], en empresas como la "9 de Abril" de Villa Clara, "Primero de Mayo" en Matanzas, "Piti Fajardo" de Granma y "Jesús Suárez Gayol" en Camaguey, llegando a la conclusión de que en Cuba existen en explotación al menos 27 tipos de árboles con diferencias significativas en cuanto a sus dimensiones.
De acuerdo a lo anterior, la diversidad de variantes relacionadas con la fabricación de guijos constituye una problemática, lo cual ha determinado la necesidad de su normalización para buscar la simplificación de la fabricación y la posibilidad de la intercambiabilidad. Por la razón anterior se ha trabajado en reducir las variantes en cuanto a las dimensiones empleadas, tipos y formas de la pieza.
Según trabajos realizados, cuyos resultados aparecen en el informe técnico del MINAZ nacional [[6]], dan respuesta a la problemática relacionada con las dimensiones y geometría de los guijos, donde el esquema típico para este tipo de pieza se muestra en la figura 1.2, siendo el más extendido en Cuba y constituye el objeto de estudio del presente trabajo.
Como se observa en la figura 1.2, uno de los aspectos más importantes relacionados con los guijos son sus dimensiones, característica importante para establecer los procesos de soldadura de recuperación.
Figura 1.2. Medidas generales de guijos para mazas.
Selección del material de los guijos objeto de estudio
La primera condición para obtener una unión soldadura de calidad, es conocer el material base, por lo que se hace imprescindible seleccionar el acero que prevalece o ha tenido mayor empleo en la fabricación de este tipo de pieza a nivel nacional. En este sentido se han desarrollado estudios por diferentes investigadores, entre los que se destacan, los trabajos de Chevalier Agüero, G. [[7]], en el que se toman muestras de aceros provenientes de diferentes lugares del país obteniéndose las propiedades mecánicas, la composición química y la estructura metalográfica, llegándose a la conclusión que el acero de mayor empleo en la fabricación de guijos en Cuba, con un 82 % del total de las muestras analizadas es el identificado como 30?, según la norma GOST-573-71 [[8]] [[9]]. Esta aleación por su composición y propiedades, se corresponde con el acero 1030 de acuerdo a la norma AISI/SAE [[10]], [[11] ]. En la tabla 1.1, aparecen relacionadas las propiedades más importantes de este acero, cuyos homólogos clasificados por otras normas se muestran en la tabla 1.2.
Otros trabajos realizados, han corroborado los resultados referidos al material empleado en la fabricación de guijos. Gómez Romero, F. [22], reporta en su trabajo que de acuerdo a la revisión de los archivos de la Empresa Constructora Mecánica "Fabric Aguilar Noriega", (Planta Mecánica) de Villa Clara, Cuba, los aceros utilizados para este tipo de pieza en dicha empresa están los siguientes: Acero 45, 30G, 35G, 40XHMA (suministrados por la antigua Unión Soviética), además del AISI 1030. Es de destacar que el acero 30 G y su homólogo por norma AISI (AISI 1030) representa el 70% del total de los guijos fabricados en Planta Mecánica.
Tabla 1.1. Composición química y propiedades fundamentales del acero 30G [13]
Tabla 1.2. Referencias de aceros con características similares al 30? [14]
En el Centro de Investigaciones de Soldadura de la Universidad Central de las Villas, Duffus Scott, A., Concepción, A. y Oria V.M. en el trabajo: "Identificación de aceros empleados en la fabricación de guijos". UCLV. 2000 [[12]] en 15 muestras, pertenecientes a guijos de varios ingenios azucareros de la Provincia de Villa Clara, 10 de ellas (para el 66% del total) se corresponde a la composición química del acero 30?, procedente de la URSS.
Como se aprecia en los resultados de los estudios presentados anteriormente, existe coincidencia en que el acero 30 G, es la aleación que mayor empleo ha tenido en nuestro país para la fabricación de guijos.
Métodos de recuperación por soldadura utilizados actualmente en la recuperación de guijos agrietados
En Cuba existe una normativa que establece el proceso SMAW para recuperar los guijos agrietados, orientado por el Ministerio del Azúcar (MINAZ nacional) [[13]]. Este proceso (SMAW) incluye una preparación de bordes no normalizada, cuya profundidad está en dependencia de la dimensión la grieta (profundidad máxima 25 mm) con una abertura del bisel entre 30º y 45°. Este procedimiento establece una temperatura de precalentamiento de 260 ºC para cualquier tipo de acero, con un régimen de tratamiento térmico posterior a una temperatura de 50-80 ºC por encima de la temperatura de precalentamiento, con un tiempo de permanencia de una hora; indicándose además el martillado para cada cordón.
Otro método discutido en seminarios del Ministerio del azúcar en Cuba (MINAZ) es el llamado técnica de "Barrera de Bloqueo", elaborado por Ponce de León [[14]] y lo indica en su tecnología de la manera siguiente: "tender un puente con un sello y soldadura sobre el fondo de una canalización que se practica en el guijo para suprimir la grieta". Según señala el autor, este método se aplica solo a guijos que tengan grietas que no excedan los 25 mm de profundidad y luego de recuperados deben ser trasladados a otros sitios del molino donde las cargas actuantes sean menores.
Se establece 260 ºC como temperatura de precalentamiento, realizando los cálculos de ésta según el autor, aplicando el método propuesto por Seferian D. [[15]], no hace recomendaciones de tratamientos térmicos post soldadura. La recomendación del electrodo se hace fundamentalmente considerando los aspectos económicos, por lo que teniendo en cuenta el gasto considerable de material de soldadura para la recuperación de los guijos propone un electrodo del tipo E 6013. Por último es de destacar que el autor recomienda oscilaciones del electrodo para lograr cordones anchos.
Otro caso de tecnologías de recuperación para guijos son las propuestas por la firma comercializadora de materiales de soldar en América Central, Casa Mc. Gregor, S.A. [[16]]. Una de ellas consiste en cubrir con una primera capa de poca penetración toda la superficie de la junta ("enmantequillamiento") con un electrodo del tipo austenítico, en este caso; Eutectic 680 y de relleno con un consumible del tipo E 7018. La capa final de la costura se recomienda realizarla empleando el electrodo Eutectic 680, considerando una temperatura de precalentamiento entre 200 y 260 º C, sin informar sus consideraciones para el cálculo. No recomienda tratamiento térmico posterior.
Otra tecnología de la firma anterior se basa en eliminación de la grieta y relleno total del bisel con el electrodo Eutectic 2222, con precalentamiento entre 200 y 260 º C. No recomienda tratamiento térmico posterior.
Una tercera variante de la casa Mc Gregor considera una temperatura de precalentamiento entre 200-260ºC. Inicialmente esta tecnología propone cubrir los bordes del bisel ("enmantequillar") con electrodo tubular autoprotegido que deposita una aleación inoxidable del tipo austenítico, rellenando con el proceso de arco sumergido semiautomático con el alambre 8620 y el fundente 801 de la LINCOLN. La última capa debe ser completada con el electrodo tubular autoprotegido similar al empleado inicialmente. No recomienda tratamiento térmico posterior.
En tres de los procedimientos propuestos, discutidos anteriormente emplean electrodos austeníticos o aleaciones base níquel para prevenir el agrietamiento, técnica recomendada por el Instituto de Materiales y Tecnologías de Unión (TWI) [[17]]. Esta es una opción adecuada, siempre que el elemento soldado no tenga que ser inspeccionado periódicamente, ya que el empleo de dos aleaciones disimiles en la unión, puede afectar el resultado de la inspección de acuerdo a los planteado por Herrera [[18]]. Según este inconveniente, no es aconsejable el empleo de materiales disímiles en el cordón de soldadura en la reparación de guijos, teniendo en cuenta que esta pieza debe ser inspeccionada sistemáticamente para evaluar su estado técnico.
La reparación de las grietas en Cuba mediante proceso SAW solamente se ha trabajado de forma experimental en el CAI "Antonio Finalé", de Sagua la Grande, provincia de Villa Clara orientada por la Dirección Provincial de MINAZ en esa provincia. La tecnología utilizada fue propuesta por Alfonso [17], cuyos resultados mostraron una cantidad apreciable de defectos en la zona fundida (fundamentalmente grietas), además de un inadecuado desprendimiento de la escoria. Esta tecnología ha sido analizada por Font [[19]], donde señala como principal inconveniente el valor elevado de las variables del proceso (I=960 A, Vs=18 m/h, Va=42 volts, Ve=91.8 m/h) y la temperatura de precalentamiento en el orden de los 280 ºC, aspectos que independientemente del efecto sobre los costos por el concepto de la recuperación, inciden de forma negativa en la resistencia de la unión soldada, debido al aumento de la zona afectada por el calor, en particular la de crecimiento de grano.
Los métodos de recuperación por soldadura aplicados en la restauración de guijos agrietados, con resultados aceptables según se reportan en la bibliografía consultada y presentados en el presente trabajo, consideran fundamentalmente la soldadura manual con electrodo revestido (SMAW). Este proceso de soldadura tiene como desventaja principal, que la calidad de la unión soldada depende fundamentalmente del factor humano, independientemente de otros aspectos negativos como el bajo índice de aprovechamiento de los consumibles.
Por otra parte, al emplear el proceso de soldadura SMAW, es necesario preparaciones de borde con un ángulo del bisel mucho mayor que para otros métodos, esto requiere del depósito de gran cantidad de metal, afectándose la fiabilidad de un guijo soldado, debido a las altas tensiones residuales que pueden aparecer en la zona de la unión, si no se realiza un adecuado procedimiento de alivio de tensiones. Además los altos niveles de temperatura que pueden alcanzarse en la zona afectada por el calor en la zona afectada térmicamente y el tiempo de permanencia, pueden provocar crecimiento de grano, afectándose las propiedades mecánicas y por consecuencia la vida de servicio de la pieza recuperada.
Por el grado de responsabilidad de los guijos, los procedimientos de soldadura para la reparación que no tengan bien definido los factores tecnológicos y metalúrgicos, que determinan la calidad de la unión soldada desde el punto de vista de la resistencia al agrietamiento, son inadecuados y pueden ser fatales. En las tecnologías propuestas relacionadas con la recuperación de los guijos, se ha comprobado que no consideran con rigor los factores que pueden afectar la soldabilidad del acero y por ende la calidad y el nivel de confianza de la reparación por soldadura de este tipo de pieza. El análisis de los problemas que afectan la soldabilidad en el caso de la reparación de los guijos significa entre otros factores, la susceptibilidad al agrietamiento del acero según su composición química, el hidrogeno inducido y el nivel de embridamiento de la unión, aspectos discutidos por Yurioka [[20]], en su trabajo: "Physical Metallurgy of Steel Weldability", presentado en la conferencia del IIS (Instituto Internacional de Soldadura) en el año 2001.
No se aprecia en las tecnologías propuestas, el estudio de la influencia del régimen térmico, su relación con la cantidad de metal depositado y la preparación de bordes de posible aplicación, con el fin de reducir las tensiones residuales y evitar el agrietamiento como resultado del hidrógeno difusible y la aparición de estructuras frágiles que puedan afectar la resistencia de la unión soldada.
Gómez R. y Martínez G. [[21]] en su trabajo relacionado con el estudio estructural de las uniones por soldadura realizadas en guijos fracturados plantean una serie de desventajas con la aplicación del proceso SMAW para la soldadura en la restauración de los guijos agrietados, recomendándose como el más conveniente el de arco sumergido a partir de las consideraciones siguientes:
1.- Permite obtener una variante tecnológica de recuperación que puede garantizar las estructuras y propiedades necesarias en la unión soldada, con una disminución directa del personal en la operación, lo que puede mejorar la calidad de las costuras según se reporta en la bibliografía [[22]].
2.- En trabajos realizados por Moya Rodríguez [[23]] y Espinosa A. [7], se plantea que sobre los guijos influyen cargas dinámicas de valores considerables, por lo que las propiedades mecánicas del acero, fundamentalmente la resistencia a la fatiga, no deben afectarse significativamente durante la recuperación de este tipo de pieza. Esto justifica entonces, la selección del proceso SAW como el más conveniente para la recuperación de esta pieza afectada por agrietamiento, ya que éste, brinda la posibilidad de obtener propiedades mecánicas satisfactorias, siempre que sea seleccionado correctamente el sistema alambre-fundente y los valores de las variables del proceso que garanticen un régimen térmico adecuado. Este último aspecto se considera de suma importancia, de acuerdo a los resultados obtenidos en su serie de trabajos relacionados con la optimización del proceso de arco sumergido como los realizados por Gunaraj [[24]] [[25]].
3.- El proceso SAW puede proporcionar un depósito con bajo por ciento de hidrógeno, aspecto confirmado en los trabajos de Griñak[[26]], Bailey[[27]] y Atkins[[28]]. Esta ventaja del proceso SAW, hacen que sea uno de los mas conveniente en el caso de la soldadura de grandes espesores, donde existe la posibilidad del agrietamiento por causa del hidrógeno difusible.
4.-Pueden lograrse altas tasas de deposición (alta productividad) con el proceso SAW [[29]], aspecto de extraordinaria importancia para el caso de la soldadura de recuperación de los guijos agrietados, considerando las dimensiones de este tipo de pieza.
5.-De acuerdo a las particularidades del proceso SAW (sistema alambre fundente) puede garantizarse la sanidad del cordón de soldadura con ángulos en el bisel mucho menores que para el proceso SMAW, por lo que permite el empleo de preparaciones de borde estrechas. Esto trae como resultado una reducción en los costos por concepto de la operación de recuperación y la disminución de la sensibilidad al agrietamiento en el metal del cordón según se reporta en la literatura, Kerluke [[30]].
6.-Con valores de aporte térmico determinados sobre la base de los problemas de soldabilidad de la aleación y dimensiones de la superficie, se puede satisfacer las exigencias en cuanto a la resistencia mecánica de la unión soldada con el uso del proceso bajo arco sumergido (SAW). En este caso, al emplearse un aporte térmico mayor, la velocidad de enfriamiento en la zona afectada por el calor es menor, por lo que se requieren niveles inferiores de temperaturas de precalentamiento de acuerdo a lo reportado el literatura [[31]].
Sobre la base del análisis anterior puede plantearse que el proceso de arco sumergido (SAW), es el más conveniente para la recuperación de guijos agrietados. No obstante, es de suma importancia determinar los valores de las variables del proceso para los regímenes de soldadura en la recuperación de los guijos que tengan en cuenta, los problemas de soldabilidad del acero, dimensiones y geometría de la superficie. Esto permite utilizar procedimientos de soldadura que garanticen las exigencias de resistencia mecánica de la unión soldada con la mínima temperatura de precalentamiento, considerando la economía en la operación reparación y el nivel de contaminación ambiental.
Problemas de soldabilidad del acero 30G empleado con mayor frecuencia en la fabricación de los árboles de los molinos de caña de azúcar (guijos).
Según puede observarse en la figura1.3, la propiedad de soldadura depende de los problemas soldabilidad que están relacionados con el material y de los factores tecnológicos del proceso, al actuar ambos, determinan la resistencia que garantiza la unión soldada durante el servicio.
Figura 1.3. Influencia del material base en la propiedad de soldadura.
La soldabilidad es un término que básicamente está referido a la capacidad de un material a ser soldado bajo determinadas condiciones de diseño y fabricación para cumplir adecuadamente su función durante su vida de servicio. Como se ha representado en la figura 1.4, uno de los factores determinantes en los problemas de soldabilidad de un acero al carbono es su capacidad de resistir al agrietamiento en el área soldada, por lo que es adecuado valorarla en base a la sensibilidad al agrietamiento, tanto en frío como en caliente, [[32]].
Figura 1.4. Tipos principales de clasificación del agrietamiento.
La soldabilidad, en primer lugar, hay que verla dentro de un conjunto de factores, presentados en el seminario "Aspectos metalúrgicos de la soldadura por fusión" [[33]] y que se consideran indispensables para la futura recuperación de los guijos agrietados.
El carbono es el principal elemento que define las particularidades de los aceros, por ello se le atribuye la máxima responsabilidad en el cambio de sus propiedades. Por ejemplo la soldabilidad se clasifica por algunos autores; en buena, regular o mala en dependencia del por ciento de carbono que tenga el acero en su composición. Kasuya y Yurioka. [[34]] en su trabajo relacionado con el carbono equivalente, demuestran todos los factores a considerar desde el punto de vista de la composición química del acero, resaltando el efecto desde el punto de vista metalúrgico de los elementos aleantes.
Aunque el contenido del carbono no es el único factor que afecta la soldabilidad de los aceros, cuando se incrementa el por ciento de este elemento, aumentan los problemas de agrietamiento de los mismos. Cuando los niveles de carbono alcancen el rango de 0.30 a 0.35%, normalmente se requiere tomar precauciones especiales, como son el precalentamiento, el control de la entrada de calor y el tratamiento térmico post soldadura. Se recomienda a menudo el uso de materiales y procesos que introduzcan bajos niveles de hidrógeno para lograr una soldadura exitosa, aspecto éste que por su importancia, aparece profundamente discutido en la literatura, con recomendaciones precisas como es el caso de los trabajos publicados por la TWI [[35]] y otros [[36]].
Kasuya y Hashiba [[37]] han trabajado en la predicción de la dureza alcanzada en la zona afectada por el calor (ZAC) y afirman que ésta, puede ser utilizada para obtener información relativa a la soldabilidad de un acero, en particular la sensibilidad a la fisuración en frío, la cual es consecuencia, fundamentalmente de las transformaciones estructurales en la zona afectada por el calor (ZAC) y por el hidrógeno di fusible.
La dureza máxima en la ZAC depende no sólo del contenido de carbono, sino también de la templabilidad del acero por la influencia de otros elementos de aleación bajo los ciclos térmicos y otros factores a considerar, los que para el caso particular del proceso SAW y para una pieza determinada es adecuadamente estudiado por Gunaraj [[38]]. Esta dureza en la ZAC es conocida también como dureza bajo el cordón.
Para predecir la dureza bajo el cordón del acero 30? en la soldadura de los guijo y evaluar la sensibilidad al agrietamiento en frío, es necesario no solo conocer la composición química, sino también tener en cuenta la influencia de los ciclos térmicos durante la operación a partir de las consideraciones de la bibliografía [[39]].
En el caso de la reparación de los guijos, por la responsabilidad de este tipo de pieza, su costo, asi como el gasto que representa la rotura del mismo durante el proceso de extracción de jugo, hay que tener especial cuidado en la calidad final y el nivel de tensiones. Lo anterior indica que se debe controlar con precisión las temperaturas máximas alcanzadas, los tiempos de permanencia y las velocidades de enfriamiento, así como el nivel de calentamiento debido a las pasadas posteriores.
La máxima dureza en una unión soldada se encuentra en la zona de sobrecalentamiento, debido a que en este caso por existir un elevado gradiente de temperatura, se alcanza la máxima velocidad de enfriamiento. También en esta zona el tiempo de permanencia es mayor a alta temperatura (> 1000 º C) lo que provoca crecimiento del grano, aspecto discutido en la literatura por Karthik [[40]] y Nawrocki [[41]].
Según lo analizado, no es posible predecir con suficiente precisión el valor de la máxima dureza en la ZAC, considerando solamente la composición química del acero a soldar, es decir aplicando la fórmula de carbono equivalente, sin valorar el efecto de las velocidades de enfriamiento en correspondencia al aporte de calor de la fuente, temperatura y dimensiones de la pieza.
La velocidad de enfriamiento tiene un efecto predominante sobre la dureza a alcanzar en la ZAC, sobre todo en el intervalo de temperaturas considerado como criticas (entre 800 y 500 ºC), según Lorenz [[42]] y Hrivnak [[43]]. Esta velocidad de enfriamiento se valora en la practica a través del coeficiente t 8/5, que representa el tiempo de permanencia en el intervalo de temperaturas entre 800 y 500 ºC.
La expresión 1.1, presentada por Mannesmann [[44]], permite predecir la dureza en la ZAC en función de la composición del acero a soldar y del tiempo de permanencia en el intervalo de temperaturas entre 800 y 500 ºC.
Hv=2019{C(1-0.5logt8/5)+0.3(Si/11+Mn/8+Cu/9+Cr/5+Ni/17+Mo/6+V/3)}+66(1-0.8log·t8/5) (1.1)
Donde:
Hv -Dureza en la zona afectada térmicamente (Vickers).
t 8/5 -Tiempo de permanencia entre 800-500 °C.
Según Beckert [[45]], la dureza en la zona afectada térmicamente no debe sobrepasar los 350 Vickers (350 Hv) para tener seguridad de que no existe sensibilidad de agrietamiento en frío.
A partir de la expresión 1.1, considerando la composición del acero correspondiente a los árboles de los molinos de caña, sólo se alcanza una dureza inferior a los 350 Vickers, cuando el tiempo entre las temperaturas críticas (800- 500 ° C) sobrepasa los 13 segundos. Este resultado indica que estamos en presencia de una aleación con problemas de agrietamiento en frío y es necesario seleccionar valores de las variables del proceso de soldadura que de acuerdo a la temperatura en la pieza se pueda evitar este tipo de falla.
Teniendo en cuenta la soldabilidad limitada del acero utilizado en la fabricación de guijos, puede recomendarse temperaturas de precalentamiento para incrementar el tiempo de permanencia entre 800- 500 ° C. Para el cálculo de la temperatura de precalentamiento se utilizan diversas expresiones, dentro de las más conocidas esta la propuesta por Seferian D. [18], o por el IIW [42].
Las expresiones para el cálculo del valor de la temperatura de precalentamiento, se basan fundamentalmente en la composición química del acero, espesor de la chapa a soldar y las más completas tienen en cuenta la velocidad de enfriamiento (t 8/5) de acuerdo al tipo de unión.
En el caso de la recuperación de los guijos agrietados, la disipación del calor a través del metal base y las perdidas por convección y radiación, responden a las particularidades de la pieza y lugar de la soldadura, por lo que la utilización de expresiones generales pueden conducir a errores de cálculo para la temperatura de precalentamiento.
Para tener una idea de la diversidad de resultados referidos a la temperatura de precalentamiento, que pueden obtenerse para el caso de la soldadura de reparación de los guijos agrietados, con expresiones que no responden totalmente a la geometría de la superficie y lugar de la grieta, se presentan a continuación algunos ejemplos.
Según Kasuya [33], es necesario utilizar una temperatura de 200ºC, cuando se utiliza el proceso de soldadura manual por arco eléctrico (SMAW). En el caso de emplear el proceso de soladura bajo arco sumergido (SAW) se requiere precalentar hasta una temperatura de 170ºC. Font en su trabajo [33], determinó que es posible obtener una dureza inferior a los 350 Vickers en la soldadura de placas de acero 30G, empleado el proceso manual por arco eléctrico (SMAW) y bajo arco sumergido (SAW), siempre que se precaliente a 250ºC.
Dupuy [[46]], a partir de la soldadura de placas de acero 30G, estudió el efecto del régimen y la temperatura de precalentamiento sobre la estructura en la zona afectada por el calor ZAC y determinó que es necesario precalentar esta aleación par evitar el agrietamiento, hasta temperaturas en el orden de los 235 ºC, para los niveles mínimos de aporte de calor evaluados. Sus resultados coinciden a los obtenidos al emplear las metodologías reportadas en la literatura especializada [[47]], [[48]], [41].
Las diferencias significativas en los valores de temperaturas de precalentamiento calculadas anteriormente indican que es imprescindible evaluar, en el caso de la soldadura de reparación de los guijos, el comportamiento de los ciclos térmicos en la zona afectada por el calor ZAC, según el aporte térmico que introduce el proceso, geometría de la pieza, temperatura de precalentamiento y tipo de acero (propiedades termo físicas). A partir de los ciclos térmicos obtenidos en la ZAC, puede determinarse el t 8/5 correspondiente (tiempo de permanencia entre 800- 500 ° C) en cada caso y evaluar los niveles de temperaturas de precalentamiento necesarios, en función del aporte térmico que introduce el proceso, para los cuales se garantiza la no sensibilidad al agrietamiento en frío (dureza en la ZAC menor de 350 Vickers).
Como se observa en la figura 1.4, también influye en la soldabilidad de los aceros al carbono la sensibilidad a la fisuración en caliente.
La fisuración en caliente (FC) puede ocurrir como resultado del efecto combinado de:
Contracción térmica característica de cualquier proceso de soldadura que involucre calentamiento localizado y enfriamiento,
Losano, expone como factor importante para la ocurrencia de la fisuración en caliente la falta de ductilidad del metal [[49]], debido a películas formadas por compuestos de bajo punto de fusión, permaneciendo estos en estado líquido en las fronteras de grano, disminuyendo bruscamente la resistencia bajo esfuerzos generados por el embridamiento.
Esfuerzos térmicos y de contracción, los cuales se forman en la etapa final de la solidificación del metal fundido o durante el enfriamiento posterior, según lo reporta Kou, [[50]].
Este tipo de fisuras son denominadas "fisuras de solidificación (FS)" y cuando aparecen en la zona afectada por el calor de la unión, se le denominan "fisuras de licuación (FL)", ya que se producen por la licuación de fases segregadas en los límites de granos muy próximos a la línea de fusión.
La expresión 1.4, permite evaluar la tendencia del agrietamiento en caliente en el metal del cordón de soldadura, según las recomendaciones reportadas en publicaciones de la TWI [53], a partir del índice de susceptibilidad al agrietamiento en caliente (UCS), utilizando la composición del cordón. La expresión 1.2 es válida, cuando el por ciento de los elementos de aleación están en el rango siguiente:
C – 0.03 – 0.33; S- 0.010 – 0.050; P- 0.010 – 0.045; Si- 0.15 – 0.65; Mn- 0.45 – 1.6; Nb- 0 – 0.07
Composición dentro de la cual se encuentra el acero 30?, según los datos que aparece en la tabla 1.1.
USC=230C+190S+75P+45Nb-12.3Si-5.4Mn (1.2)
Valores menores de 10 para el índice USC, indica la no sensibilidad a la figuración en caliente. Cuando el valor de USC calculado para el acero, es mayor de 30, se considera que es propenso a al agrietamiento en caliente [53].
Considerándose una soldadura utilizando un consumible que garantice una composición en el cordón similar al acero 30G, el resultado obtenido a partir de la expresión 1.2, indica que existe sensibilidad al agrietamiento en caliente (USC > 30). No obstante, normalmente en los procesos de soldadura se seleccionan materiales de aporte, los cuales garantizan en el cordón determinados elementos de aleación, para disminuir el riesgo de fisuración en caliente.
En el caso particular de la soldadura por arco sumergido, se seleccionan comúnmente sistemas alambre fundente, con aportes apreciables de silicio y manganeso (Si > 0.6, Mn > 1.5), para reducir la sensibilidad al agrietamiento en el cordón, teniendo en cuenta los volúmenes de metal depositados por dicho proceso.
Autores que han investigado sobre la soldabilidad de los aceros, como es el caso de Richards [[51]], asegura que el riesgo de solidificación en caliente se puede disminuir cuando los consumibles para soldar son seleccionados de forma tal de que la relación Mn / S sea mayor a 50.
Una explicación sobre la influencia de la forma del cordón en el agrietamiento para el caso particular de la soldadura por arco sumergido, aparece en un documento publicado por la TWI [[52]]. En este trabajo se plantea que la forma del cordón durante la solidificación tiene un efecto significativo sobre el agrietamiento en caliente, señalando que los cordones cuya relación ancho / profundidad sea menor a la unidad, son propensos al agrietamiento en la línea central del cordón de soldadura, aspecto que debe considerarse en la recuperación de los guijos.
Características de la falla por rotura de los árboles de los molinos de caña (guijos)
La rotura de los guijos es un incidente de notable importancia en la industria azucarera, no solo por el interés técnico, sino por el aspecto económico. Cuando se somete a los molinos a un intenso trabajo de extracción, es mayor la posibilidad de ocurrir la rotura.
Es importante conocer para el caso de los guijos las causas de los distintos tipos de fallas por rotura que pueden ocurrir y las condiciones que las determinan, con vistas a aplicar las medidas preventivas necesarias y las consideraciones indispensables para establecer la tecnología de soldadura de recuperación que garanticen las exigencias de explotación.
Trabajos realizados por Reid [[53]] y Gómez [[54]], relacionados con la rotura superficial de diferentes guijos plantean, que las zonas estudiadas se caracterizan por fallas provocadas por el fenómeno de la fatiga. Es decir, una zona cuyo aspecto es típico de la fricción prolongada de la superficie y otra que caracteriza la rotura frágil.
En la figura 1.5, se muestra un guijo fracturado donde además de las zonas descritas con anterioridad, se distinguen una serie de líneas paralelas que constituyen los períodos de detención de la marcha del proceso de la fatiga.
Figura 1.5. Caracterización de la fractura por fatiga.
Los aspectos a los que se ha hecho referencia, así como otros relacionados con el agrietamiento de los guijos han sido analizados por Fernández Levy, G. [6], donde plantea en una de sus conclusiones que las roturas de los árboles para molinos de caña es el resultado del fenómeno de la fatiga.
Trabajos realizados en Colombia por Coronado J.J., [3] sobre lo preocupante de la incidencia de la rotura de guijos en los ingenios azucareros colombianos y los resultados mostrados por Catalán [4] sobre la incidencia de roturas de guijos en Cuba en el periodo 1970-1999, reportan que la rotura de los guijos es provocada por el fenómeno de la fatiga, con una mayor incidencia en la zona 3, según se indica en la figura 1.6. Esta zona está por el lado interior del collarín y es donde aparecen los niveles de esfuerzos mayores, por lo que se considera como la más crítica para este tipo de pieza.
La zona 1, es el lugar de la pieza donde se trasmite el movimiento a la corona a través del acoplamiento de forma cuadrada y prácticamente no sufre agrietamiento.
En esta zona 2, se dan casos de roturas no frecuentes debido a un cambio de sección justamente al lado de la corona, la que trasmite el movimiento al molino. Esta Zona está sometida a esfuerzos combinados como torsión flexión y compresión variables, según aportes de los trabajos de Espinosa Acevedo [7].
La zona 4 presenta un bajo índice de roturas, las que son provocadas en lo fundamental por la corrosión, la que puede ser disminuida evitando la entrada del el jugo entre el tambor y el guijo.
Figura 1.6. Lugares de mayor incidencia de rotura del guijo.
La zona de menor índice de roturas es la 5, por estar alejada del origen de aplicación de los esfuerzos.
Finalmente, puede plantearse que los guijos en explotación están sometidos a la acción de un complejo sistema de esfuerzos, los que varían en magnitud y dirección, provocando la falla principal de este elemento por el fenómeno de fatiga, fundamentalmente en la zona del collarín, aspecto que debe tomarse en consideración para establecer el régimen se soldadura de reparación de este tipo de pieza.
Sobre la base de la problemática de las fallas de los guijos por rotura y de las consecuencias que se derivan, se ha establecido por el Ministerio de la Industria Azucarera a nivel nacional [[55]], que estas piezas deben ser inspeccionados sistemáticamente y ser mantenidos en explotación siempre que la profundidad de las grietas no superen los 25 mm. Lo anterior establece entonces que la presente investigación debe basarse específicamente en la recuperación de guijos agrietados con grietas no superiores a los 25 mm de profundidad.
La modelación de los fenómenos térmicos en la unión soldada según el aporte de calor, temperatura y geometría de la superficie
En el epígrafe 1.4, fue analizado los problemas de soldabilidad del acero 30?, donde según las dimensiones de la pieza y composición química, es necesario utilizar valores en las variables del proceso de soldadura que den solución a la problemática, sin afectar otros factores como el económico y medio ambiental.
Las particularidades de la unión a soldar en este caso, por tratarse de una superficie de revolución de grandes dimensiones con un cambio de sección considerable en el lugar de la soldadura, la utilización de expresiones desarrolladas para placas, puede conducir a errores de calculo, sobre todo, en la determinación de los ciclos térmicos para determinar el valor del tiempo de permanencia entre 800ºC y 500ºC (t8/5). Según la consideración anterior es necesario valorar la posibilidad de emplear técnicas de modelación, que permitan obtener resultados confiables, sin llegar a la necesidad de realizar un trabajo experimental con un costo elevado, debido al gasto de consumibles, combustible, montaje de instalaciones, elaboración de probetas etc.
El Método de los Elementos Finitos
En los primeros años de la década del 70, el análisis por los elementos finitos se estableció como una técnica numérica general para resolver cualquier sistema de ecuaciones diferenciales y encontró aplicaciones en un amplio rango de disciplinas. Como es el caso del flujo de calor [[56]]. En la actualidad cobran cada vez mayor importancia por su amplio campo de aplicación.
En un inicio, se utilizaban programas sencillos que realizaban algunas consideraciones para llevar a cabo sus cálculos, pero con el desarrollo de las técnicas computacionales, los cálculos de transferencia de calor son realizados por programas cada vez más completos y potentes. Todo lo anterior, acompañado del desarrollo de la matemática numérica, ha hecho que estos cálculos se realicen por el llamado Método de Elementos Finitos (MEF), tal y como ha sido descrito en muchos trabajos realizados por varios autores que abordan la temática como son Bonifaz [[57]], Frewin [[58]], Jang [[59]], Milewski [[60]], Nawrocki [[61]] y Dupont, [[62]] entre otros.
El MEF es una herramienta matemática muy utilizada en la ingeniería y se basa en la discretización de sistemas continuos, subdividiendo el dominio del sistema dado en porciones de estudio en las tres dimensiones, de tal modo que ensambladas reconstruyan el sistema real. Dichas porciones son llamados elementos finitos, estando conectados entre ellos por puntos ubicados en los contornos llamados nodos, lugares estos donde se buscará la solución al problema planteado. La conexión entre los nodos y los elementos finitos es conocida como malla [[63]], o sea que, de las infinitas incógnitas del problema original se da paso a uno de un número limitado de ellas, que son los grados de libertad o desplazamientos de los nodos. Tales incógnitas pueden ser desplazamientos, temperaturas, presiones, potencial magnético, etc. El comportamiento de otro punto interior a los elementos estará referido a los nodos a través de funciones. Con ello, el sistema originalmente continuo habrá sido discretizado y reducido a un sistema de ecuaciones algebraicas, lineales o no lineales como estudia adecuadamente Tsai [[64]].
El Método de los Elementos Finitos es aplicable tanto a problemas sujetos a condiciones de contornos simples o complejos, en régimen permanente o transitorio, a materiales homogéneos y no homogéneos.
El MEF, desde el punto de vista ingenieríl, se convierte en atractivo y a la vez riesgoso, atractivo pues con su empleo se pueden obtener respuestas a los más variados y complejos problemas que no posean solución analítica o que la solución sea en extremo compleja, el riesgo aparece cuando no se toman las debidas precauciones, no se tienen en cuenta las consideraciones necesarias y cuando se carece de experiencia en el campo en que se investiga.
En las uniones soldadas mediante los procesos de soldadura por fusión, los niveles de calor aportados por la fuente y los ciclos térmicos en las diferentes zonas pueden provocar la deformación, esfuerzos residuales y sobre todo, cambios en la micro estructura del metal base que afectan su resistencia. Estos fenómenos han sido estudiado por varios autores con experiencia en la aplicación del MEF en procesos de soldadura, entre los que se encuentran Goldak [[65]], Bang, en estudio de reparación de tuberías [[66]], y Zúñiga y colaboradores cuando aplican los elementos finitos a los resultados de una soldadura multipase [[67]].
Modelación de los fenómenos de transferencia de calor del proceso de soldadura por arco eléctrico por el Método de Elementos Finitos.
La modelación de una unión soldada con la intención de conocer los fenómenos metalúrgicos que pueden surgir durante la soldadura, analiza como resultado los efectos del campo térmico y producto de ello, las estructuras y propiedades mecánicas correspondientes a la zona afectada por el calor.
La modelación de un proceso de soldadura ayuda a realizar reparaciones adecuadas en piezas o equipos que son únicos o de gran dimensión, para los que se hace difícil validar la tecnología de soldadura, con la consiguiente calificación del procedimiento de reparación. Con los resultados de la modelación se pueden prever las modificaciones que ocurren en el material base y la costura que afecte el seguro funcionamiento, de manera que con el análisis de los valores obtenidos respecto a los fenómenos térmicos, el especialista puede modificar la tecnología hasta lograr la que resulte conveniente.
Según el grado de calentamiento que sufre la pieza durante su recuperación por métodos de soldadura, resulta de vital importancia conocer el nivel de las transformaciones que se pueden generar en el metal base, para el restablecimiento de las propiedades de explotación de las piezas.
Investigadores como Christensen[[68]], Krutz[[69]], Goldak[[70]], [[71]]y Bonifaz[[72]] en sus trabajos de modelación, utilizan la función de distribución del calor gausiana y de doble elipsoide para obtener los valores de los historiales térmicos y de las dimensiones de la zona afectada por el calor, empleando como herramienta el programa COSMOS de Modelación por Elementos Finitos. Los resultados han sido validados experimentalmente, demostrándose de esta manera, que es adecuado el empleo del COSMOS en el estudio de los fenómenos de transferencia de calor como resultados del proceso de soldadura de los guijos agrietados.
El primer paso en la modelación por el MEF de los fenómenos térmicos en las uniones soldadas para obtener resultados confiables, es calcular con exactitud el campo de temperaturas transiente, según lo plantean varios autores reconocidos en este campo, como Bonifaz y Goldak, [[73]], [[74]], [[75]]. Friedman [[76]]. Estos aseguran que entre los datos de inicio más importantes a considerar para el análisis térmico en la soldadura, son los parámetros necesarios para describir el "Calor Aportado" ("Heat Input") a la pieza desde el arco.
Conclusiones
1. De acuerdo a trabajos consultados, relacionados con la fabricación de guijos en Cuba, se reporta que entre los aceros utilizados para la fabricación de este tipo de pieza, están: Aceros 45, 30(, 35(, 40XHMA y el AISI 1030, sin embargo los resultados de la revisión indican además, que se ha empleado en el orden del 70 % el acero procedente de la antigua Unión Soviética.
2. Los procedimientos existentes para la recuperación por soldadura de los guijos agrietados, adolecen de una fundamentación que justifique el proceso y el valor de las variables, considerándose las propiedades de soldabilidad del acero, dimensiones de la pieza y localización de la falla (grietas), así como los aspectos económicos y medio ambientales.
3. Los problemas fundamentales relacionados con la soldabilidad del acero 30G, empleado en la fabricación de árboles de molinos de caña de azúcar, esta dado fundamentalmente por sensibilidad al agrietamiento en frío, debido a su composición química, dimensiones y geometría de la pieza. Además puede aparecer la fisuración en caliente si no se hace una selección adecuada del consumible y se logra una relación ancho /profundidad del cordón que limite la aparición de este defecto.
4. La modelación de los fenómenos de transferencia de calor mediante el MEF, es una alternativa para obtener los ciclos térmicos en la zona afectada por el calor en la soldadura de recuperación de guijos agrietados, en función del aporte térmico del proceso, considerando que en este caso se trata de una unión no convencional, de acuerdo a la geometría superficie, volumen y localización de las grietas.
Autor:
Dr. PA. Ramón Cristóbal Martínez García
Dr. PT. Manuel Rodríguez Pérez
Dr. PT. Jorge Moya Rodriguez
M. Sc. Jorge Luis Garcia Jacomino
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