Problemática de los árboles de los molinos de caña agrietados (página 2)

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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