Estudio de alternativas para mejorar el precalentamiento de matrices de forja en caliente

Para producir una pieza forjada de calidad y a costos competitivos es necesario que todos los pasos que involucra la producción de piezas forjadas (corte, calentamiento de los tochos, forjado, rebabado, etc.), se hagan utilizando las mejores prácticas. Y esto, no siempre sucede así.

Si nos centramos en el proceso de forjado, que requiere del uso de una máquina principal (martillo; prensa de tornillo; prensa mecánica), que proporciona la energía para deformar el material, en combinación con una matriz cerrada (dividida en dos partes: inferior y superior), que posee la cavidad, tanto para recibir el material como para darle forma, el precalentamiento de estas matrices ocupa un rol importante puesto que, de no hacerlo convenientemente, se corre el riesgo de fracturar la matriz, o reblandecerla. Ello supondría disminuir la duración de un componente vital en los procesos de forja, el cual tiene una incidencia de al menos un 10% en los costos [1].

El material normalmente más usado para la fabricación de estas matrices es el acero denominado SAE H13 [2]. Para el forjado de piezas de acero requiere una temperatura de precalentamiento que, en su superficie, debiera encontrarse en el rango de los 200 a 300 °C [3, 4, 5], asegurando una vida útil adecuada así como un buen desempeño del lubricante y de la fluidez del material que está siendo forjado.

Los métodos de precalentamiento que usan los forjadores suelen ser la utilización de material caliente simplemente apoyado sobre la matriz o el empleo de quemadores de gas [2]. Está claro que, en el primer caso, es prácticamente imposible saber qué temperatura superficial se alcanza y, por lo que hemos observado visitando distintas forjas argentinas que usan quemadores, la mayoría de ellas tampoco lo saben puesto que calientan por tiempo y sin llevar un control de la temperatura.

Las formas de medirla consisten en usar instrumentos económicos, como los pirómetros, o sofisticados, como las cámaras termográficas [6, 7].

Una información más difícil de establecer aún es el grado de homogeneidad de la distribución de temperatura en el volumen de la matriz, dado que tampoco sirve calentar rápido para obtener el valor esperado en la superficie y que la base se encuentre a la temperatura ambiente, porque en ese caso también la matriz se podría fracturar.

Por último, dado que el proceso de precalentamiento es parte de la preparación del trabajo, y que mientras se hace la línea de forja no produce, sería importante definir un método que no sólo permitiera alcanzar las temperaturas requeridas de la forma más homogénea posible sino, también, lograrlas en el menor tiempo.

En consecuencia, y dados los mínimos antecedentes existentes [7], con este trabajo nos proponemos realizar propuestas sobre como debiera ser una buena práctica de precalentamiento de matrices de forja usando quemadores de gas, a partir de un método que combina el trabajo experimental, con la simulación por elementos finitos.

Para efectuar las mediciones experimentales se utilizaron un inserto de forja fuera de servicio, dos insertos sin uso, un portainsertos y un quemador rectangular de gas, todos ellos proporcionados por la forja Dino Mattioli. Adicionalmente, una cámara termográfica Flir E60, siete termocuplas tipo K y un multímetro digital Fluke.

El proceso llevado adelante fue el siguiente:

1) Sobre el inserto (250 x 125 x 65 mm) fuera de servicio se realizaron 7 orificios de 4,75 mm de diámetro, distribuidos en el volumen según lo indicado en la figura siguiente. En estos agujeros se alojarían las termocuplas correspondientes, durante las pruebas de calentamiento.

2) Calibración de las termocuplas.

3) En la forja, y sobre una mesa metálica para no interrumpir la producción, se realizó el montaje del inserto con las 7 termocuplas, en el centro del portainserto y ladeado por ambos costados, con otros dos insertos sin uso. La termocupla identificada como N°1 se situó a 1 mm por debajo de la superficie de la matriz y, la N°3, a 1 mm por encima de la base. De este modo los valores termográficos serían comparados con los de la termocupla N°1 y el gradiente de temperatura se evaluará con los valores de las termocuplas N°1 y N°3.

4) Seguidamente se precalentó con un quemador de gas durante una hora. Cada 5 minutos se efectuaron las mediciones termográficas superficiales y también con el multímetro en cada una de las 7 termocuplas. Se registraron los valores obtenidos.

La simulación numérica del proceso de precalentamiento fue realizada mediante el software Simufact.Forming V11.0 [8], empleando el módulo de calentamiento.

Las actividades efectuadas fueron:

1) Simular el proceso reproduciendo lo realizado en forma experimental para ajustar la simulación a los valores prácticos.

2) Simular el proceso de precalentamiento, con el montaje del portainserto, los tres portainsertos y el quemador de gas (usando la geometría original) sobre un bloque de fundición representativo de la mesa de la prensa para analizar cómo hubiera afectado la disipación térmica.

3) Ídem anterior pero con un quemador con un tubo adicional a fin de mejorar la eficiencia del calentamiento y reduciendo el tiempo del proceso.

4) Presentar una fórmula polinómica, válida para el caso inicial, que entrega el tiempo de precalentamiento en función de una temperatura superficial deseada.

a) Parte experimental:

En la tabla siguiente se presentan los valores medidos cada 5 minutos y durante una hora, con la cámara termográfica y las termocuplas identificadas como N° 1 a N°7.

En relación a esta tabla se desprende que: a) las mediciones con la cámara termográfica resultaron menores, a las obtenidas con la termocupla próxima a la superficie (Nº1); y b) el máximo gradiente volumétrico medido con las termocuplas fue a los 30 minutos, alcanzando los 77 °C.

En las figuras siguientes se muestra el montaje usado y una imagen termográfica.

b) Simulación numérica:

La tonalidad azulada de la llama del quemador, de acuerdo con referencias obtenidas de la bibliografía [9], indicaría una temperatura de unos 900 °C. Este valor fue el utilizado en todas las simulaciones numéricas realizadas. El primer trabajo de simulación realizado fue reproducir el proceso tal como fuera efectuado en forma experimental, para ajustar la simulación a los valores prácticos.

En las figuras siguientes se pueden observar imágenes entregadas por el software, que tanto representan el modelo del sistema experimental, como el mapa de temperaturas alcanzado, luego de una hora de calentamiento usando el quemador original.

Seguidamente se trazaron las curvas de calentamiento experimental y simulado, para las termocuplas N°1 (superficie) y N°3 (base).

Si bien en general, y en ambos casos, la curva de temperatura simulada resultó por encima de la experimental respectiva, estas gráficas muestran una muy buena correlación entre los valores obtenidos por ambos métodos, considerando que presentan apartamientos porcentuales menores al 14%.

Nos interesa ahora incluir a las mediciones termográficas en el análisis, por cuanto en una forja, el único método de medición posible de implementar para conocer la temperatura de precalentamiento, es un método superficial, ya sea por termografía o con pirómetro (mediciones sin contacto).

En tal sentido, en la figura sucesiva se presentan superpuestas las curvas de calentamiento superficial, obtenidas con el software, la termocupla, y la termografía.

Se observa que la curva obtenida por termografía muestra un comportamiento de algún modo errático. El mismo podría mejorarse midiendo siempre sobre una superficie opaca, pues de lo contrario, pueden existir interferencias que resultan de los reflejos de la radiación, que probablemente hayan provocado esta situación.

Si tomamos como referencia los puntos medidos por la termocupla más próxima a la superficie (identificada como N°1), trazamos los puntos medidos de la curva tiempo de calentamiento vs temperatura, y finalmente hacemos un ajuste con un polinomio de segundo grado, obtenemos la expresión de la curva de calentamiento para la superficie del inserto, con la cual podríamos calcular un tiempo (Y), para alcanzar una temperatura dada (X). Por citar un ejemplo, para obtener 300 °C necesitaríamos unos 28 minutos.

Verificada la capacidad del método de simulación numérica, disponemos ahora la posibilidad cierta de actuar sin interferir con la producción. Por ello, pasamos a evaluar entonces, como hubiera resultado el proceso de calentamiento, en este caso considerando la influencia de la mesa de la prensa.

Dada la mayor capacidad de disipación térmica del sistema, el software ha mostrado que, luego de una hora de calentamiento, la zona central superior del inserto, alcanzaría los 271 °C, mientras la base los 213 °C (el gradiente de temperaturas sería de 58 °C).

Seguidamente, y con el objeto de mejorar la eficiencia, para reducir el tiempo de calentamiento, se diseñó un nuevo quemador con un tubo central adicional, y se simuló el proceso rediseñado, con todo el sistema montado considerando la mesa de la prensa.

Con este nuevo diseño del quemador, el software muestra que, con sólo 30 minutos de calentamiento, la zona central superior del inserto alcanzaría los 296 °C, mientras que la base llegaría hasta los 226 °C (el gradiente de temperaturas sería entonces de 70 °C).

Para finalizar, y dado que todo el trabajo fue realizado únicamente sobre la matriz inferior, y siendo que un proceso normal de precalentamiento se efectúa de manera simultánea sobre ambas matrices (inferior y superior), usando un solo quemador de gas apoyado sobre la inferior mostramos un diseño esquemático de un quemador regulable en altura que facilita el ajuste del proceso. Inclusive, en este diseño, que presenta un tubo adicional, se ha ubicado el pico de suministro de gas en la zona central para obtener una distribución homogénea del gas.

En la figura siguiente se muestra la configuración del quemador original usado en los ensayos, así como la propuesta rediseñada.

• La geometría del quemador debe adaptarse a la forma y tamaño del inserto (dado que éstos tanto pueden ser rectangulares como circulares).
• No es recomendable apoyar el quemador a la superficie del inserto de forja. Por el contrario, debiera formar parte de un sistema con regulación de altura, para así lograr una mejor distribución del calor entre el inserto inferior y superior.
• El empleo de una mayor cantidad de tubos en el quemador aumenta la eficiencia térmica y reduce el tiempo del precalentamiento. Según la simulación numérica, con el agregado de un solo tubo el tiempo se reduciría a la mitad (sería posible pasar de 60 a 30 minutos).
• El control de la temperatura superficial de los insertos debe efectuarse con un sistema de medición de temperatura económico, como son los pirómetros.
• Las mediciones deben hacerse siempre sobre el mismo lugar y en una superficie opaca (puede ser con óxido superficial o en una zona cubierta con una pintura negra, resistente a la temperatura).
• Para cada caso particular, y empleando la metodología desarrollada en este trabajo, podría llegarse a establecer una fórmula que permita calcular el tiempo en función de la temperatura superficial deseada.
• Todas las propuestas realizadas pueden implementarse en las forjas de manera simple y económica.

Referencias

[1] Bonnemezón, Abate y Martínez Krahmer, Ingeniería del Forjado Moderno, Editado por Veicorgraf, Ituzaingó, Buenos Aires, Argentina, 2014 (libro)

[2] Bonnemezón y Martinez Krahmer, Práctica Industrial de la Forja, Editorial Nueva Librería, Buenos Aires, Argentina, 2012 (libro)

[3] J. Hallström, Influence of friction on die filling in counterbblow hammer forging, Journal of Materials Processing Technology, 2000 (paper)

[4] G. Schiuma, Apuntes del curso para lubricantes de forja 2007

[5] H. Strasser, Tendencias dos lubrificantes para matrices de forjamento, Anales del 32° SENAFOR, Porto Alegre, Brasil, 2012 (paper)

[6] H. Strasser, Otimizacao do proceso de forjamento a través de análise termográfica, Anales del 31° SENAFOR, Porto Alegre, Brasil, 2011 (paper)

[7] A. Polozine, Desenvolvimento de novo método de medicao de temperaturas em forjamento, Revista Forge, Brasil, 2010 (revista)

[8] www.simufact.de (página web)

[9] T. Kamada, Study on combustion and ignition characteristics of natural gas components in a micro flow reactor with controlled temperature profile, Combustion and flame, 2014 (paper)

Agradecimientos A la empresa Dino Mattioli, en particular a Sergio Mattioli, Fabricio Mattioli y Brian Zuccarino, por habernos facilitado recursos tanto humanos como técnicos para poder desarrollar nuestra labor.