Control de Fisuras Internas en Palanquilla Redonda de ASTM 4130 durante la Colada Continua
Control de Fisuras Internas en Palanquilla Redonda de ASTM4130 durante la Colada Continua
Autor: Harris, SHUNFU METAL
El acero ASTM 4130 es un acero al cromo-molibdeno de baja aleación ampliamente utilizado en la fabricación de conectores para tuberías de perforación petrolera, recipientes a presión y componentes estructurales críticos. Su equivalente en China es el 30CrMo (GB/T 3077), mientras que en Europa se designa como 25CrMo4 (EN 10083) y en Japón como SCM430 (JIS G4105). Sin embargo, la producción de palanquilla redonda de gran diámetro (Φ350 mm) mediante colada continua presenta desafíos significativos relacionados con la aparición de fisuras internas, que pueden comprometer la calidad del producto final y aumentar la tasa de rechazo.
Este artículo analiza el estudio realizado por la planta de aceros especiales de Shandong Iron & Steel Co. sobre la formación de fisuras internas en palanquilla redonda de ASTM4130, identificando la causa raíz a través de ensayos de tracción a alta temperatura y proponiendo soluciones efectivas que han sido validadas industrialmente.
Equivalencias Normativas del Acero 4130
La siguiente tabla resume las designaciones equivalentes del acero 4130 en los principales sistemas normativos:
| Región / Estándar | Designación | Composición química típica (Cr-Mo) |
|---|---|---|
| EE.UU. (ASTM A29) | 4130 | 0.28-0.33% C, 0.80-1.10% Cr, 0.15-0.25% Mo |
| China (GB/T 3077) | 30CrMo | 0.26-0.33% C, 0.80-1.10% Cr, 0.15-0.25% Mo |
| Europa (EN 10083) | 25CrMo4 | 0.22-0.29% C, 0.90-1.20% Cr, 0.15-0.30% Mo |
| Japón (JIS G4105) | SCM430 | 0.28-0.33% C, 0.90-1.20% Cr, 0.15-0.30% Mo |
La composición química del material estudiado en la producción de palanquilla Φ350 mm es: C 0.28-0.33%, Si 0.20-0.35%, Mn 0.45-0.60%, P ≤0.020%, S ≤0.015%, Cr 0.90-1.10%, Mo 0.17-0.25%, Al 0.010-0.040%, cumpliendo con los requisitos de la norma ASTM A29.
Problema: Fisuras Internas en la Palanquilla Colada
Durante el proceso de colada continua de la palanquilla redonda de ASTM4130, se detectaron defectos internos graves, incluyendo porosidad central y contracción de nivel 2.0 o superior, así como fisuras intermedias de hasta 30 mm de longitud (ver Figura 1 en el estudio original). Estos defectos provocaban una alta tasa de rechazo y pérdidas económicas significativas.
La colada continua se realiza en una máquina de arco completo con radio de 11 m, sección de molde circular de Φ350 mm, y un sistema de enderezamiento de 4 bastidores con 3 puntos de flexión. La velocidad de colada oscila entre 0.30 y 0.50 m/min, y la temperatura de superficie a la entrada de la máquina enderezadora se mantenía en torno a 850°C.
Investigación Experimental: Ensayos de Tracción a Alta Temperatura
Para identificar las causas de las fisuras, se extrajeron probetas de la palanquilla y se sometieron a ensayos de tracción a alta temperatura en un simulador Gleeble-1500, siguiendo un ciclo térmico que reproducía las condiciones de colada (calentamiento a 1350°C, enfriamiento controlado y ensayo a diferentes temperaturas). El parámetro clave medido fue la reducción de área (RA), que indica la ductilidad del material. Se considera que valores de RA inferiores al 50% definen una zona de fragilidad.
Los resultados experimentales se resumen en la siguiente tabla:
| Temperatura (°C) | RA (%) | Resistencia a tracción (MPa) | Observación |
|---|---|---|---|
| 1350 | 3.7 | 4.8 | Muy frágil (Zona I) |
| 1200 | 15.0 | 15.0 | Baja ductilidad |
| 1100 | 26.2 | 21.0 | Mejora |
| 1000 | 91.3 | 37.3 | Máxima ductilidad |
| 950 | 49.8 | 56.6 | Cercano al límite |
| 900 | 42.5 | 59.6 | Inicio zona frágil |
| 875 | 33.9 | 59.0 | Frágil |
| 850 | 23.7 | 59.0 | Mínimo de ductilidad |
| 825 | 23.9 | 58.4 | Frágil |
| 800 | 26.3 | 58.4 | Ligera mejora |
| 775 | 32.8 | 57.0 | Mejora |
| 750 | 26.4 | 54.8 | Descenso abrupto |
| 700 | 54.8 | 43.2 | Recuperación |
Con base en el criterio RA < 50%, se identificaron dos zonas de fragilidad:
- Zona de fragilidad I: desde el punto de fusión hasta aproximadamente 1350°C (RA cercana a 0).
- Zona de fragilidad III: en el rango de 900°C a 750°C, con un mínimo de ductilidad en 850°C (RA = 23.7%).
El análisis metalográfico y de fractura (SEM) mostró que en la zona III la fractura es de tipo intergranular frágil, con superficies de clivaje y poca deformación plástica, especialmente entre 875 y 850°C. A partir de 775°C, comienza a observarse precipitación de ferrita en los bordes de grano, pero la ductilidad no se recupera significativamente hasta los 700°C.
Causa Raíz de las Fisuras Internas
La combinación de los datos experimentales y las condiciones de producción reveló que la causa principal de las fisuras internas era el enderezamiento de la palanquilla en el rango de temperatura de 900-750°C. Durante el enderezamiento, la palanquilla se somete a esfuerzos de flexión significativos, y al estar en la zona de fragilidad, su baja ductilidad provoca la aparición de fisuras internas. La temperatura de superficie a la entrada de la máquina enderezadora era de aproximadamente 850°C, justo en el punto de mínima ductilidad.
Soluciones Implementadas y Resultados Industriales
Con base en los hallazgos, se realizaron dos modificaciones clave en el proceso de colada continua:
- Optimización del sistema de enfriamiento secundario: Se redujo la intensidad de enfriamiento, especialmente en la zona 5 del enfriamiento secundario, y se ajustó la relación de agua. La distribución de agua se modificó de la siguiente manera:
| Parámetro | Optimización | Antes |
|---|---|---|
| Relación agua/acerado (L/kg) | 0.30 – 0.35 | 0.35 – 0.40 |
| Distribución en rodillo inferior | 40% | 45% |
| Zona 1 | 25% | 25% |
| Zona 2 | 17% | 20% |
| Zona 3 | 10% | 10% |
| Zona 4 | 8% | 8% |
| Zona 5 | 0% (suspendida) | 8% |
Con estos cambios, se logró que el descenso de temperatura superficial de la palanquilla no superara los 150°C por metro, asegurando que la temperatura a la entrada de la máquina enderezadora fuera superior a 900°C, evitando así la zona de fragilidad.
- Mejora del sistema de enderezamiento: El sistema original de 4 bastidores con 3 puntos de flexión fue reemplazado por un sistema de 5 bastidores de enderezamiento continuo. Además, se ajustó la presión de trabajo de cada bastidor a 4 MPa, reduciendo las tensiones locales y evitando la formación de marcas de presión en la superficie interna de la palanquilla.
Los resultados industriales fueron contundentes: tras la implementación de estas mejoras, la temperatura de enderezamiento aumentó de 850°C a más de 900°C, eliminando completamente las fisuras internas. La calidad macrográfica de la palanquilla mejoró notablemente, sin defectos de porosidad central ni fisuras intermedias, cumpliendo con todos los requisitos de los clientes y estándares de la industria.
Conclusiones y Recomendaciones
- El acero ASTM4130 (30CrMo / 25CrMo4) presenta una zona de fragilidad crítica entre 900 y 750°C, con ductilidad mínima en 850°C (RA = 23.7%).
- El enderezamiento de la palanquilla en esta zona de temperatura induce fisuras internas debido a la combinación de baja ductilidad y esfuerzos de flexión.
- Para evitar este problema, es esencial garantizar que la temperatura de la palanquilla a la entrada de la máquina enderezadora sea superior a 900°C, lo que se logra reduciendo la intensidad del enfriamiento secundario y controlando el descenso térmico.
- La sustitución del sistema de enderezamiento por uno de 5 bastidores continuos con presión controlada (4 MPa) distribuye mejor las tensiones y previene la formación de fisuras.
- Estas medidas han demostrado ser efectivas en la producción industrial de palanquilla Φ350 mm de ASTM4130, eliminando los defectos internos y mejorando la calidad del producto final.