Resumen: Con el objetivo de desarrollar un producto de reemplazo para las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 55SiMnMo actualmente utilizadas para exportación, primero se analizó el comportamiento mecánico en servicio y la morfología de la estructura metálica de las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 55SiMnMo. A través de la investigación experimental de la estructura metálica y las propiedades mecánicas del acero 40MnB después de diferentes tratamientos, se comprobó que el acero 40MnB, después del control de laminación y enfriamiento, puede alcanzar las características mecánicas de las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 55SiMnMo y la morfología de la estructura metálica adecuada para soportar impactos. En este artículo, se presenta un proceso de fabricación económico y práctico para las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 40MnB. Las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 40MnB desarrolladas utilizando este proceso han reemplazado exitosamente a las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 55SiMnMo y se han exportado a múltiples fábricas de acero en el extranjero, lo que ha mejorado los beneficios económicos de las fábricas de producción y aplicación de barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero.

1. Introducción

Las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero son herramientas esenciales para la extracción de hierro. Durante el proceso de perforación de la boca de hierro por parte de la máquina de abertura de hornos de acero, la perforación se realiza a través de la rotación y corte del taladro de abertura de hornos de acero y la rotura por impacto para abrir la boca de hierro. El par de torsión de rotación y la fuerza de impacto de la máquina de abertura de hornos de acero se transmiten al taladro a través de la barra de perforación de la máquina de abertura de hornos de acero. El tamaño de la fuerza y las características de carga de la barra de perforación de la máquina de abertura de hornos de acero dependen no solo de parámetros como el trabajo de impacto, el par de torsión, la frecuencia de impacto y la velocidad de rotación de la máquina de abertura de hornos de acero, sino también de la resistencia de la arcilla utilizada en la boca de hierro del horno.

En la actualidad, en lo que respecta a las máquinas de abertura de hornos de acero, todas las empresas siderúrgicas están intensificando los esfuerzos de transformación automatizada de los equipos delante del horno con el objetivo de mejorar la productividad. Las máquinas de abertura de hornos de acero han comenzado a desarrollarse desde las máquinas de abertura manuales y neumáticas de baja potencia hacia las máquinas integradas de mecanismo, electricidad y líquido hidráulico con alta energía de impacto, y que tienen funciones de impacto, rotación y perforación en sentido directo e inverso. Por ejemplo, la máquina de abertura de hornos de acero del modelo HDY300 tiene un trabajo de impacto que alcanza 300 J, una frecuencia de impacto entre 34 y 67 Hz, y un par de torsión de rotación en el rango de 60 a 300 N•m. En cuanto al material de sellado de la boca de hierro del horno, el uso de arcilla sin agua de alta resistencia es cada vez más común, y la resistencia del horno en la boca de hierro también ha aumentado, lo que hace que las cargas soportadas por la barra de perforación sean cada vez mayores. Para satisfacer los requisitos de rendimiento de la perforadora de la máquina de abertura de hornos de acero, la barra de perforación de la máquina de abertura de hornos de acero debe tener una alta resistencia y, al mismo tiempo, una alta ductilidad a impacto. La Empresa Limitada de Herramientas de Taladrado de Acero y Acero Taladrado de Hubei Tianye ha fabricado barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero utilizando el acero 55SiMnMo para satisfacer las necesidades de calidad de las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero de las fábricas de acero en el extranjero.

Con el aumento del precio del hierromolibdeno, el costo de fabricación y el costo de uso de las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 55SiMnMo se han elevado, lo que ha reducido los beneficios económicos de las fábricas de producción y las fábricas de acero. Frente a los problemas anteriores, la Empresa Limitada de Herramientas de Taladrado de Acero y Acero Taladrado de Hubei Tianye y la Universidad de Geología de China han llevado a cabo el desarrollo de barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero de alta calidad y bajo costo que reemplacen al 55SiMnMo. Se han seleccionado una variedad de materiales y procesos de producción para la fabricación de barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero, incluyendo 40MnB, 45MnB, 45CrMn, 45Mn2, 50Mn2, 50CrMn, 42SiMn, 50SiMn, 55Si2Mn, 55Si2MnB, etc., para satisfacer las necesidades de diferentes máquinas de abertura de hornos de acero, capacidades y estructuras de hornos de acero. En este artículo, se presenta el proceso de fabricación de barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero utilizando el acero 40MnB, y se presentan la estructura metálica y las propiedades mecánicas de las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 40MnB después de diferentes tratamientos.

2. Comportamiento mecánico y estructura metálica de las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 55SiMnMo

Las herramientas de perforación de abertura de hornos de acero soportan un par de torsión y una carga de impacto elevados. La parte que se introduce en el horno de la boca de hierro funciona en un entorno de alta temperatura, y el estado de tensión es muy complejo. Hay muy pocos datos específicos y analizados sobre los parámetros de carga de las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero, por lo que es muy importante analizar las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero actualmente en uso exitosamente para el diseño de nuevas herramientas de perforación de abertura de hornos de acero.

Las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 55SiMnMo exportadas por la Empresa Limitada de Herramientas de Taladrado de Acero y Acero Taladrado de Hubei Tianye son muy valoradas por los usuarios y son el punto de referencia para el desarrollo de nuevas barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero.

Se tomaron muestras de las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero terminadas 55SiMnMo, y se obtuvo que la morfología de su estructura metálica (ver Figura 1) es principalmente un tejido compuesto dominado por F y Bu modificado.

Figura 1 Estructura metálica de 55SiMnMo

Se utilizó el corte por hilo para recortar axialmente las probetas de ensayo Charpy a partir de las barras de perforación de la máquina de abertura de hornos de acero 55SiMnMo. Véase la Figura 2.

Figura 2 Método de extracción de probetas de impacto

Las propiedades mecánicas parciales de las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 55SiMnMo determinadas experimentalmente se presentan en la Tabla 1.

Tabla 1 Algunas propiedades mecánicas de las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 55SiMnMo

Las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 55SiMnMo presentan un tejido compuesto dominado por Bu modificado, así como propiedades mecánicas de alta resistencia y excelente ductilidad. Ambas características son adecuadas para resistir las cargas de impacto intensas de las máquinas de abertura de hornos de acero hidráulicas ampliamente utilizadas en el extranjero. El endurecimiento se controla en un rango de HRC20 a 27, lo que facilita el procesamiento mecánico. Todas estas son las principales características y índices de referencia para el desarrollo de nuevas barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero.

3. Proceso de tratamiento de las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 40MnB

Se utiliza el mismo proceso de laminación de tuberías que el de las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 55SiMnMo para laminar las tuberías de las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 40MnB.

La Figura 3 muestra la estructura metálica de las tuberías laminadas de acero 40MnB (proceso de perforación térmica y laminación a calor). También es una estructura de F y S, pero con una mayor cantidad de F. Una cantidad determinada de F en bloques distribuida uniformemente hace que el material tenga una mejor ductilidad a impacto. Las propiedades mecánicas parciales se presentan en la Tabla 2.

Figura 3 Estructura metálica de tuberías laminadas de acero 40MnB

Tabla 2 Algunas propiedades mecánicas de las tuberías laminadas de acero 40MnB

Es evidente que la tubería laminada de acero 40MnB tiene una buena ductilidad, pero un endurecimiento y una resistencia más bajos. La estructura de S laminar no es la más adecuada para resistir cargas de impacto. Con el fin de entender más profundamente las propiedades mecánicas de la tubería laminada de acero 40MnB bajo diferentes tratamientos, evaluar la viabilidad de utilizar el acero 40MnB como reemplazo del acero 55SiMnMo en la fabricación de barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero para exportación, y teniendo en cuenta el costo de fabricación de las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero y la adaptabilidad de la gestión de la organización productiva, se ha realizado una investigación sobre tres tipos de tratamientos de enfriamiento controlado del calor residual de las tuberías laminadas de acero 40MnB (con los códigos Nc1, Wc1 y Lc1). Los resultados de las propiedades mecánicas se presentan respectivamente en las Tablas 3, 4 y 5. Debido a que las muestras extraídas directamente de las tuberías para el ensayo de tracción tienen un tamaño pequeño, se utilizan probetas cortas de ∅6.

La Figura 4 muestra la estructura metálica de las tuberías laminadas de acero 40MnB (proceso de perforación térmica y laminación a calor) después del tratamiento Ic1.

Figura 4 Estructura metálica de las tuberías laminadas de acero 40MnB después del tratamiento Ic1

Tabla 3 Algunas propiedades mecánicas de las tuberías laminadas de acero 40MnB después del tratamiento Ic1

A partir de los índices de propiedades mecánicas de la Tabla 3, se puede observar que después del tratamiento Lc1, la barra presenta una alta resistencia, una alta ductilidad y plasticidad, y una alta relación entre límite de fluencia y resistencia a la rotura. Tiene propiedades mecánicas comparables con las del servicio de las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 55SiMnMo exportadas.

La Figura 5 muestra la estructura metálica de las tuberías laminadas de acero 40MnB después del tratamiento Nc1, que es principalmente un tejido compuesto de F y S.

Figura 5 Estructura metálica de las tuberías laminadas de acero 40MnB después del tratamiento Nc1

Tabla 4 Algunas propiedades mecánicas de las tuberías laminadas de acero 40MnB después del tratamiento Nc1

Los índices de propiedades mecánicas de la Tabla 4 indican que las tuberías de barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 40MnB después del tratamiento Nc1 tienen una buena plasticidad y ductilidad, pero el endurecimiento y la resistencia son inferiores a las de las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 55SiMn-Mo.

La Figura 6 muestra la estructura metálica de las tuberías laminadas de acero 40MnB después del tratamiento Wc1. En comparación con el tratamiento Nc1, los granos se fines, y la resistencia y la ductilidad se elevan en cierta medida. Al comparar la Tabla 1 y la Tabla 5, se puede ver que la resistencia y el endurecimiento de las tuberías laminadas de acero 40MnB después del tratamiento Wc1 siguen siendo bajos.

Figura 6 Estructura metálica de las tuberías laminadas de acero 40MnB después del tratamiento Wc1

Tabla 5 Algunas propiedades mecánicas de las tuberías laminadas de acero 40MnB después del tratamiento Wc1

Proceso de fabricación de las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero

Preparación de materiales→Calentamiento eléctrico→Perforación térmica→Laminación a calor→Enfriamiento controlado Lc1 o tratamiento térmico→Procesamiento mecánico→Inspección→Embalaje→Ingresar al almacén

Al comparar la estructura metálica y las propiedades mecánicas en general, se puede ver que las propiedades después del tratamiento Ic1 son superiores a aquellas en el estado normal Nc1. Pero en comparación con los requisitos de rendimiento de las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero de alta calidad, la resistencia y el endurecimiento todavía parecen bajos.

4. Proceso de fabricación de las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 40MnB

Se utiliza el método de fabricación de tuberías por perforación térmica y laminación a calor, se controla el enfriamiento del calor residual o se realiza un tratamiento térmico después de la laminación para ajustar la morfología de la estructura y las propiedades mecánicas de la barra de perforación, y luego se procesa mecánicamente el tornillo de conexión. La Figura 7 muestra el proceso de fabricación de la barra de perforación de la máquina de abertura de hornos de acero.

Esta característica del proceso de fabricación utiliza el calentamiento eléctrico, y se produce el material laminado longitudinalmente una vez sin tensión después de la perforación y la reducción de diámetro; el control del enfriamiento o el tratamiento térmico después de la laminación ajusta el endurecimiento general de la barra de perforación para garantizar no solo las necesidades de resistencia, sino también una buena aptitud para el procesamiento mecánico. Las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 40MnB producidas utilizando este proceso han reemplazado exitosamente a las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 55SiMnMo y se han puesto en aplicación. Tienen excelentes características de uso y han mejorado los beneficios económicos de las fábricas de producción y aplicación.

5. Conclusiones

(1) La selección de las propiedades mecánicas y la morfología de la estructura de las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero debe considerarse de manera integral teniendo en cuenta los parámetros de trabajo de la máquina de abertura de hornos de acero y las propiedades de la arcilla utilizada en la boca de hierro. Para las máquinas de abertura de hornos de acero hidráulicas con alta energía de impacto, se requiere que las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero tengan altas propiedades de resistencia y ductilidad.

(2) Después del tratamiento de enfriamiento controlado Lc1 después de la perforación térmica y laminación a calor del acero 40MnB, tiene características de alta resistencia y alta ductilidad comparables con las de las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero 55SiMnMo. La práctica productiva demuestra que las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero fabricadas con el proceso de tratamiento de enfriamiento controlado Lc1 después de la perforación térmica y laminación a calor del acero 40MnB pueden servir como producto de reemplazo para las barras de perforación de máquinas de abertura de hornos de acero originales 55SiMnMo.