Optimización de la tecnología de refundición por electroescoria mediante el uso de un modelo digital del proceso.

INTRODUCTION

En la actualidad, el mercado de productos metalúrgicos experimenta una creciente demanda de metal obtenido mediante refundición por electroescoria (ESR). Mediante este proceso se fabrican lingotes, en particular, de acero de la aleación 45KhN2MFA-Sh, empleado en la fabricación de componentes críticos sometidos a esfuerzos de torsión bajo cargas dinámicas y cíclicas.

Las tareas de mejorar la calidad del producto y aumentar el rendimiento son primordiales para las empresas industriales. Una de las medidas para contribuir a la solución de estos problemas es la búsqueda de parámetros óptimos del proceso tecnológico y los regímenes de operación del equipo de producción. El estudio práctico de los regímenes térmicos de la formación de lingotes mediante ESR en una planta metalúrgica en operación presenta importantes limitaciones, entre ellas la dificultad de medir las temperaturas del lingote, la escoria y el electrodo fusible, además de la necesidad de prevenir la producción de piezas defectuosas y el riesgo de averías en la instalación durante cualquier modificación. En este contexto, el uso de modelos digitales para el análisis de los procesos de solidificación representa una herramienta de diagnóstico eficiente y altamente informativa, que permite estudiar la fabricación de lingotes de diferentes dimensiones de manera económica y sin afectar el proceso productivo.

El desarrollo y la verificación de un modelo matemático adecuado para cálculos numéricos abre la posibilidad de investigar las particularidades individuales del proceso de solidificación, establecer la dinámica de la distribución de la fase líquida de la escoria y el metal, y encontrar las condiciones de la refundición que aseguren una combinación óptima de productividad y calidad del producto.

Descripción del problema y metodología

El complejo metalúrgico de S.A. Planta Metalúrgica "Petrostal" dispone de una instalación ESR equipada con un sistema de campana que permite realizar el proceso en un ambiente protegido con gas inerte (argón) y un control automático del proceso. La tecnología básica de producción de lingotes ESR de sección cuadrada con un lado de 500 mm y una masa nominal de 4 t de acero de la marca 45KhN2MFA-Sh utilizando la instalación disponible en la empresa no garantizaba la obtención de piezas en bruto sin la presencia de inclusiones de escoria en la cabeza del lingote. Independientemente de la marca específica del acero, en la cabeza de los lingotes terminados, debajo de la cavidad de contracción abierta, se podían encontrar porosidades y cavidades cerradas rellenas de inclusiones de escoria (Fig. 1).

Fig. 1. Esquema de corte del lingote para la separación de la parte de desecho, junto con el estudio del metal en su sección longitudinal (a), y resultado típico de la inspección de la presencia de inclusiones de escoria y la profundidad de la contracción en el recorte tecnológico (b)

Para garantizar que los lingotes ingresen al posterior procesamiento deformacional sin inclusiones de escoria, se estableció un estándar que exige la eliminación del 4,65 % del metal de la cabeza del lingote antes de su transferencia al taller de laminación. En la producción de laminados a partir de lingotes ESR, existe la necesidad tecnológica de eliminar los extremos del laminado, lo que, en última instancia, conduce a un aumento del coeficiente de consumo total. En condiciones donde la eliminación de residuos tecnológicos es posible durante el proceso de laminación, el corte previo de la cabeza del lingote posiblemente resulte ser una operación redundante.

El objetivo del presente trabajo fue el desarrollo de un conjunto de soluciones tecnológicas destinadas a prevenir la formación de cavidades rellenas de escoria y zonas porosas en los lingotes obtenidos mediante ESR. La causa principal de la aparición de este tipo de defecto es la profundidad excesiva del baño de metal líquido [1—4].

Los resultados de los experimentos realizados en condiciones de producción no proporcionan una imagen suficientemente clara del impacto de la variación de los parámetros de fusión. Por esta razón, se tomó la decisión de combinar experimentos en condiciones reales con la modelización matemática de los procesos de formación de lingotes. Este enfoque permite reducir significativamente el número de experimentos físicos, aumentar sustancialmente el volumen de datos extraídos, permitiendo evaluar el desarrollo de los procesos de solidificación no solo de forma indirecta, mediante el análisis del metal en los lingotes terminados, sino también observar directamente la dinámica del cambio del campo termofásico durante la refundición en un modelo digital del lingote.

El proceso de ESR comprende tres periodos principales:

• Fase inicial (según la tecnología de arranque en sólido) para la formación del baño de escoria, el inicio de la fusión del electrodo y el establecimiento de la velocidad de proceso requerida;

• Régimen eléctrico principal de refundición, durante el cual se forma la mayor parte del cuerpo del lingote;

• Fase de eliminación de la cavidad de contracción, dentro de la cual se requiere la creación de condiciones de compensación de la contracción que permitan asegurar una altura mínima de la zona ocupada por porosidades y cavidades en la parte superior del lingote terminado.

El modelado del crecimiento del lingote se investigó en un modelo digital implementado en el entorno del software de simulación PoligonSoft. Al implementar el modelo del proceso, se adoptaron las siguientes suposiciones principales:

• se despreció la conicidad del lingote, definida por la geometría de la camisa de cobre del cristalizador;

• no se incluyó en la estructura del modelo la fusión del electrodo, por lo que no se consideraron las perturbaciones causadas por las variaciones en su tamaño y forma de sección transversal;

• no se tuvo en cuenta la fase de calentamiento inicial, dado que su influencia es insignificante en comparación con la duración total del ciclo de refundición y la formación de la mayor parte del lingote durante el régimen eléctrico principal y la fase de eliminación de la cavidad de contracción;

• se asumió una temperatura constante del metal entrante desde la parte superior

En la Fig. 2 se presenta un modelo 3D de elementos finitos utilizado para el cálculo de la formación del lingote durante el proceso ESR. Para simular el llenado progresivo del cristalizador se utilizó una herramienta de definición de desplazamientos disponible en el software "PoligonSoft", que se utiliza habitualmente para el cálculo de la transferencia de calor en condiciones de contacto deslizante entre cuerpos, en el análisis de procesos de colada continua, etc. En el caso de modelización del proceso ESR, se implementó un método que consiste en incorporar gradualmente al cálculo la geometría predefinida del lingote a tamaño completo. Los elementos finitos situados por encima de la altura alcanzada por el lingote en cada instante permanecen inactivos.

Fig. 2. Modelo 3D para el análisis del proceso de refundición: (a) modelo de elementos finitos; (b) partes del lingote efectivamente involucradas en el cálculo en diferentes momentos del proceso (se muestra: uno de los pasos iniciales, a mitad del proceso y al finalizar).

Dentro del análisis numérico, al definir el régimen de refundición que se va a estudiar, se realizó el cálculo de la solidificación del lingote teniendo en cuenta el intercambio de calor con el cristalizador refrigerado por agua, el baño de escoria, la solera y el ambiente circundante.

El estudio de cálculo para cada variante de la tecnología se realizó en dos etapas:

• Periodo principal de refundición y fase de eliminación de la cavidad de contracción , utilizando una velocidad de refundición específica y un régimen correspondiente de reducción de la potencia suministrada;

• Enfriamiento del lingote en el cristalizador hasta el momento de su extracción.

Durante una serie de cálculos, se investigó la influencia de los parámetros tecnológicos del proceso en la profundidad y la configuración del baño metálico. La variación de dichos parámetros se realizó dentro de los límites establecidos por las capacidades del equipo de producción. Los resultados de los cálculos proporcionaron una imagen de la distribución de los campos termofásicos en el cuerpo del lingote durante y al final de la refundición, así como una predicción de la contracción: macro y microporosidad. De acuerdo con una recomendación conocida [2, 4], la profundidad óptima del baño metálico h_mb debe ser la mitad del ancho del cristalizador a_cr, por lo que este valor se tomó como objetivo en el análisis y la comparación de los resultados de los cálculos para diferentes regímenes de formación del lingote.

Resultados y discusión

La verificación del modelo se basó en la comparación de las temperaturas medidas con un pirómetro en la superficie de un lingote real inmediatamente después de su extracción del cristalizador, con las observadas en el mismo instante de tiempo en el modelo computacional. Se demostró una buena concordancia entre los resultados de los cálculos y los datos de las mediciones (Fig. 3).

Fig. 3. Distribución de temperaturas a lo largo de la altura del lingote terminado según los resultados de la pirometría (puntos) y del cálculo (línea continua).

La modelización de la formación del lingote durante el proceso ESR y en la etapa final de enfriamiento en el cristalizador se llevó a cabo para diferentes velocidades másicas de refundición:

• la velocidad durante el período del régimen eléctrico principal G, correspondiente a la tecnología base previamente aprobada en la empresa;

• valores de velocidad reducidos: 0,84G y 0,94G;

• valores de velocidad aumentados: 1,1G y 1,2G.

Para cada velocidad de refundición, se seleccionaron regímenes adecuados del período de eliminación de la cavidad de contracción de acuerdo con la necesidad de una reducción gradual de la potencia aplicada P y, como consecuencia, de la velocidad de refundición y la profundidad del baño metálico.

Según [5], la reducción relativa de la potencia durante la fase de eliminación de la cavidad de contracción se define por la expresión:

donde P₀ y P_f representan la potencia en el momento inicial y final del periodo de eliminación de la cavidad de contracción respectivamente. De acuerdo con las recomendaciones establecidas, esta reducción debe estar en el rango del 30 al 50 %.

En la Figura 4, se presentan las curvas de disminución de la potencia suministrada durante el periodo de eliminación de la cavidad de contracción, en función de la velocidad de refundición anterior a esta fase. Dichas curvas fueron desarrolladas considerando las recomendaciones mencionadas. Para facilitar la comparación, todas las curvas representan la relación de la potencia actual, durante el período de eliminación de la cavidad de contracción (es decir, tras las refundiciones a 0,84G, 0,94G, G, 1,1G y 1,2G), con respecto a la potencia inicial de la tecnología de refundición base a velocidad G: P/P₀^G

Fig. 4. Trayectorias de reducción de la potencia suministrada durante la fase de eliminación de la cavidad de contracción para diferentes velocidades de refundición.

‍La característica gráfica de la profundidad (comparada con el nivel recomendado h_mb ^opt = a_cr/2) y la configuración del baño metálico a diferentes velocidades de refundición se muestra en la Fig. 5. El perfil y la profundidad del baño metálico, establecidos durante el período del régimen eléctrico principal, constituyen el conjunto de datos iniciales para la tarea que se lleva a cabo durante el período de eliminación de la cavidad de contracción. Esta tarea consiste en asegurar las condiciones del proceso de solidificación (tanto durante la etapa como durante el enfriamiento posterior) que favorezcan la extracción lo más completa posible de la contracción desde la parte superior del lingote hacia la cavidad abierta en su superficie.

Fig. 5. Distribución de la fase líquida en la zona de solidificación al estabilizarse el baño metálico en el régimen eléctrico principal y al final de la fase de eliminación de la cavidad de contracción.

En la tabla 1 se presentan las principales características cuantitativas del proceso de refundición electroescoria (ESR) y la calidad del lingote, obtenidas a partir de los resultados de la modelización de la refundición a diferentes velocidades. Un aumento en la velocidad de refundición produce un incremento lógico en la profundidad del baño metálico. Este aumento se debe principalmente a un mayor volumen de la fase líquida, mientras que el ancho de la zona de transición bifásica permanece prácticamente constante durante el período de eliminación de la cavidad de contracción y solo experimenta un ligero aumento con el incremento de la velocidad de refundición (de 0,10a_cr a 0,13a_cr). El tiempo de solidificación durante la etapa de enfriamiento final del lingote muestra un aumento insignificante con el incremento de la velocidad de refundición.

Dado que la profundidad inicial del baño metálico varía en cada experimento numérico durante la fase de eliminación de la cavidad de contracción, así como a las características específicas de los regímenes de reducción de potencia desarrollados, el desarrollo de la contracción en la cabeza del lingote presenta particularidades específicas en cada caso. Sin embargo, la tendencia al aumento de la profundidad de los defectos con el aumento de la velocidad de refundición es bastante pronunciada. Al mismo tiempo, los lingotes producidos bajo los regímenes analizados cumplen formalmente con la normativa vigente respecto al nivel de recorte tecnológico requerido.

A velocidades de refundición de G...1,2G, el baño metálico adquiere una profundidad moderada o claramente excesiva, lo que favorece el desarrollo de la cristalización con orientación radial, dificulta el refinado del metal de inclusiones no metálicas y conduce a un aumento de la zona afectada por defectos de contracción. Una velocidad de refundición excesivamente baja de 0,84G conduce a una profundidad insuficiente del baño con los consiguientes riesgos de deterioro de las condiciones para la separación en la interfaz metal-escoria con una disminución de la eficacia del proceso de refinado, la formación de defectos superficiales en forma de constricciones, entre otros.

A medida que el proceso de solidificación se acerca a su finalización durante la etapa de enfriamiento de los lingotes en el cristalizador tras la fase de eliminación de la cavidad de contracción (Fig. 6), en todos los casos se observa la localización de una pequeña región de metal líquido debajo del puente de fase sólida, el cual se forma por debajo de la cavidad de contracción abierta.

Fig. 6. Cambio en el contenido de la fase líquida durante la etapa de enfriamiento del lingote en el cristalizador después de la fase de eliminación de la cavidad de contracción
(ejemplo para la velocidad de refundición G).

Una velocidad de refundición de 0,94G podría ser recomendable desde el punto de vista de la profundidad óptima del baño metálico; sin embargo, no satisface el requisito de, al menos, no disminuir el rendimiento del proceso. Como opciones adecuadas para una optimización adicional, se seleccionaron los regímenes de refundición con velocidades de G y 1,1G, acompañados de estrategias de reducción de potencia durante la fase de eliminación de la cavidad de contracción, validadas mediante modelización, en un rango del 44 al 50 %, con el fin de lograr una reducción eficiente de la profundidad del baño metálico (h_mb). En términos generales, la aplicación de restricciones adicionales a ΔP_rel dentro del intervalo recomendado en la literatura debe definirse de manera individual en cada caso, considerando factores como la geometría del lingote, la composición del acero y la velocidad de refundición, entre otros.

La optimización y el ajuste de los parámetros tecnológicos ESR seleccionados posteriormente se llevaron a cabo en la práctica mediante el uso de métodos y técnicas adicionales destinados a reducir aún más la profundidad del baño metálico. En el marco de estas actividades, se realizaron series de refundiciones experimentales con modificación de la composición química del fundente, disminución de la inmersión del extremo del electrodo en el baño de escoria y aumento de la masa del fundente de trabajo. De las tres medidas mencionadas , las dos últimas mostraron la mayor eficacia; al combinarlas, al finalizar el presente trabajo de cálculo y práctico, se logró obtener una cavidad de contracción cerrada, libre de escoria, así como una reducción de la profundidad de su ubicación hasta el 3,7 % (fig. 7).

Fig. 7. Cavidades de contracción cerradas y libres de escoria en la sección del recorte tecnológico del lingote experimental (se muestran ambas partes después del corte).

Conclusión

Mediante el uso del modelo digital de refundición por electroescoria (ESR) desarrollado en el entorno del sistema de simulación computacional PoligonSoft, se analizaron diversos regímenes tecnológicos de formación del lingote y se identificaron una serie de patrones en la gestión de los parámetros del baño metálico, con el objetivo de reducir la tendencia a la inclusión de escoria en la parte superior del lingote y minimizar la zona afectada por defectos de contracción. A partir de los resultados de las simulaciones computacionales, con ajustes posteriores y modificaciones especiales en la planta, se aprobaron los regímenes de refundición que permitieron mejorar la calidad del producto y optimizar los indicadores de eficiencia económica y productividad

• se eliminó la propensión a la difusión de escoria en la parte superior del lingote, lo que elimina la necesidad de remover la parte superior antes de la deformación plástica y, en general, excluye los riesgos asociados durante el laminado;

• Se alcanzó un incremento en la productividad del proceso de refundición de electroescoria (ESR) de aproximadamente un 10 %;

• la reducción de la profundidad de la cavidad de contracción en la parte superior creó las condiciones para reducir la norma del recorte tecnológico de los lingotes comerciales ESR a un 20 % respecto al nivel actual.

El enfoque aplicado para la solución del problema de producción se caracteriza por un equilibrio racional entre la complejidad del desarrollo y la explotación del modelo digital y el número de refundiciones experimentales requeridas para la mejora de las soluciones tecnológicas prometedoras identificadas.

REFERENCIAS

[1] Glebov, A.G. Refundición por electroescoria. Moscú: Metallurgiya, 1978. — 333 p.
[2] Vorobyev, A.A., Pozhidaev, Yu.V. Refundición por electroescoria. Novokuznetsk: Editorial SibGIU, 2002. — 116 p.
[3] Protokovilov, I.V., Porokhonko, V.B. Métodos de control de la cristalización del metal en lingotes ESR. // Electrometalurgia Moderna, 2014, Nº 3, pp. 7–15.
[4] Medovar, B.I., Shevtsov, V.L., Marinsky, G.S., Demchenko, V.F., Makhnnenko, V.I. Procesos térmicos en la refundición de electroescoria. Kiev: Naukova Dumka, 1978. — 304 p.
[5] Pavlov, V.A., Lozovaya, E.Yu., Babenko, A.A. Electrometalurgia especial del acero y aleaciones. Ekaterimburgo: Editorial de la Universidad de los Urales, 2018. — 168 p

Traducido por ing A.J. Camejo Severinov
Texto original en ruso
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