DETERMINACIÓN DEL MECANISMO DE FALLA DE LA · tanto cariño, Gracias por todo. A mi gran amiga...
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE” VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA DETERMINACIÓN DEL MECANISMO DE FALLA DE LA ALEACIÓN DE PRUEBA INCOLOY 800HT, INSTALADA EN EL LINER DEL BAJANTE DEL REACTOR 10 - T1, DE ORINOCO IRON ® S.C.S. ANISLEIDYS S. GONZÁLEZ R. CIUDAD GUAYANA, SEPTIEMBRE DE 2010
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA
DETERMINACIÓN DEL MECANISMO DE FALLA DE LA
ALEACIÓN DE PRUEBA INCOLOY 800HT, INSTALADA EN
EL LINER DEL BAJANTE DEL REACTOR 10 - T1, DE
ORINOCO IRON® S.C.S.
ANISLEIDYS S. GONZÁLEZ R.
CIUDAD GUAYANA, SEPTIEMBRE DE 2010
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DETERMINACIÓN DEL MECANISMO DE FALLA DE LA
ALEACIÓN DE PRUEBA INCOLLOY 800HT, INSTALADA EN
EL LINER DEL BAJANTE DEL REACTOR 10 - T1, DE
ORINOCO IRON® S.C.S.
Tutor Académico: Miriam Romero Tutor Industrial: Wilmer Figuera
APROBADO POR:
CIUDAD GUAYANA, SEPTIEMBRE DE 2010
REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA
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AGRADECIMIENTOS
A Dios por brindarme la fortaleza para seguir día a día a pesar de las dificultades.
A la Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” por ser
mi casa de estudio y por permitirme adquirir los conocimientos necesarios para la
realización de mi carrera como profesional.
A mis padres y abuelos por ser mi inspiración y motivarme a seguir cumpliendo
cada una de mis metas.
A Rubén Turmero, por estar allí siempre para mí, sin importar la hora ni el
momento. Gracias por tu apoyo incondicional.
A la Ing. Miriam Romero, por su gran labor como tutora académica y por su apoyo
absoluto.
A mi tutor industrial el Ing. Wilmer Figuera por su asesoría y gran colaboración en
la elaboración de mí proyecto.
A la Ing. Patricia Yanes por ser tan especial, por estar siempre dispuesta a
escucharme y sobre todo por ayudarme cuando más lo necesité.
iii
4
A Milagros Morantes, Reinaldo Mejías y José Núñez por su asistencia y apoyo
brindado durante el desarrollo de este trabajo.
Al Sr Iván Turmero y la Sra. Milena de Turmero por su motivación, paciencia y
tanto cariño, Gracias por todo.
A mi gran amiga María Álvarez, por darme tanto ánimo, por su alegría y por
ayudarme en todo momento.
Al equipo de Inspección y Corrosión por compartir buenos momentos y por hacer
tan agradable mi estadía en planta.
A todos los que de una u otra forma me ayudaron en la realización de este trabajo,
Muchas Gracias!!!
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INDICE GENERAL
ÍNDICE FIGURAS…...…………………………………………………………....viii
ÍNDICE DE TABLAS…..………………………….…..………………………….....x
RESUMEN……………………………………………………………....................xi
INTRODUCCIÓN………………………………………………………………..…xii
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA…………………………………………………………………….14
1.1 Planteamiento del problema ............................................................ 14
1.2 Objetivo General .............................................................................. 17
1.3 Objetivos Específicos....................................................................... 17
1.4 Justificación ..................................................................................... 17
1.5 Delimitación o Alcance..................................................................... 18
CAPÍTULO II
MARCO REFERENCIAL………………………………………………………….19
2.1 Breve descripción de la empresa ..................................................... 19
2.1.1 Estructura Organizacional ......................................................... 21
2.1.2 Ubicación geográfica ................................................................. 22
2.1.3 Funciones de la empresa .......................................................... 23
2.1.4 Misión ........................................................................................ 23
2.1.5 Visión ........................................................................................ 24
2.1.6 Política de calidad ..................................................................... 24
2.1.7 Política ambiental ...................................................................... 24
2.1.8 Instalaciones básicas ................................................................ 24
2.2 Descripción del área de pasantía .................................................... 34
2.2.1 Misión ........................................................................................ 35
2.2.2 Visión ........................................................................................ 36
2.3 Descripción del trabajo asignado ..................................................... 36
v
6
2.4 Bases Teóricas ................................................................................ 36
2.4.1 Aceros Inoxidables .................................................................... 36
2.4.2 Incoloy (Aleaciones Níquel-Hierro-Cromo) ................................ 36
2.4.3 Incoloy 800HT o Sandvik Sanicro 31HT .................................... 36
2.4.4 Acero Inoxidable AISI 304H ...................................................... 38
2.4.5 Acero Inoxidable AISI 316L ....................................................... 39
2.4.6 Falla .......................................................................................... 40
2.4.7 Fluencia lenta (Creep) ............................................................... 40
2.4.8 Deformación inducida por esfuerzo o temperatura.................... 40
2.4.9 Fallas por choque térmico ......................................................... 41
2.4.10 Deformación plástica ................................................................. 41
2.4.11 Deformación por maclado ......................................................... 42
2.4.12 Superaleaciones de níquel ........................................................ 43
CAPÍTULO III
ASPECTOS PROCEDIMENTALES……………………………………………..48
3.1 Actividades ejecutadas .................................................................... 48
3.1.1 Relacionadas con el trabajo asignado ....................................... 48
3.2 Técnicas e instrumentos de recolección de información.................. 49
3.2.1 Revisión bibliográfica y documental .......................................... 49
3.2.2 Inspección visual ....................................................................... 50
3.2.3 Corte de las muestras ............................................................... 50
3.2.4 Análisis Metalográfico ............................................................... 52
3.2.5 Ensayo de Dureza ..................................................................... 54
3.2.6 Microscopía electrónica de barrido............................................ 55
3.2.7 Análisis químico ........................................................................ 56
3.3 Materiales y equipos necesarios ...................................................... 56
3.3.1 Equipos ..................................................................................... 56
3.3.2 Materiales e insumos ................................................................ 57
3.4 Tipos de análisis a realizar .............................................................. 57
vi
7
CAPÍTULO IV
RESULTADOS……………………………………………………………………..59
4.1 Revisión de las condiciones operativas especificadas en el diseño
original del equipo. .................................................................................... 59
4.2 Comparación de las condiciones operativas con las especificadas en
el diseño. ................................................................................................... 60
4.2.1 Composición química del gas de purga .................................... 62
4.3 Caracterización de la aleación Incoloy 800HT en condición de falla,
mediante ensayo mecánico de dureza, análisis metalográfico, microscopía
electrónica de barrido y análisis químico. .................................................. 63
4.3.1 Análisis Metalográfico ............................................................... 63
4.3.2 Ensayo de Dureza ..................................................................... 66
4.3.3 Microscopía electrónica de barrido de la zona lejana a la falla..68
4.3.4 Microscopía electrónica de barrido de la zona cercana a la
falla………. ............................................................................................ 70
4.3.5 Análisis Químico........................................................................ 71
4.4 Determinación del mecanismo de falla del liner fabricado en Incoloy
800HT ....................................................................................................... 72
CONCLUSIONES …………………………………………………………………74
RECOMENDACIONES……………………………………………………………76
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS……………………………………………..77
vii
8
INDICE DE FIGURAS
Figura 1: Vista aérea planta Orinoco Iron ................................................. 19
Figura 2: Organigrama de la empresa. ..................................................... 21
Figura 3: Área de preparación y alimentación del mineral ........................ 25
Figura 4: Área de Planta de Gas. .............................................................. 26
Figura 5: Reactor R40-R30 ....................................................................... 27
Figura 6: Reactor R20-R10 ....................................................................... 28
Figura 7: Disposición de los bajantes de descarga de un módulo. ........... 29
Figura 8: Bajante de descarga de mineral sobre parrilla. .......................... 30
Figura 9: Producto final del proceso FINMET® (Briqueta) ........................ 32
Figura 10: Estructura Organizativa de la Superintendencia de Inspección y
Corrosión ................................................................................... 34
Figura 11: Estructura cristalina de la fase gamma y gamma prima……….43
Figura 12: Planos de deslizamiento ante una fuerza de corte. ................... 45
Figura 13: Selección de las zonas a estudiar en el liner en condición de
falla. ........................................................................................... 51
Figura 14: Seccionamiento de las zonas de los liners ................................ 51
Figura 15: Distribución de las probetas del liner deformado para los
diferentes ensayos. .................................................................... 52
Figura 16: Máquina cortadora marca Delta. ............................................... 52
Figura 17: Muestras pulidas ....................................................................... 54
Figura 18: Durómetro. ................................................................................ 55
Figura 19: Fotomicrografías obtenidas por microscopía óptica. Liner del
spare riser lejos de la zona de falla. ........................................... 63
Figura 20: Fotomicrografías obtenidas por microscopia óptica. Zona
deformada del liner del spare riser ............................................. 65
Figura 21: Fotografías de la zona alejada de falla, presencia de precipitados
cercanos a los límites de grano ................................................. 68
viii
9
Figura 22: EDX de la zona alejada de falla, a) se indica la presencia
dispersa de carburo de Cromo; b) presencia de carburo de
Titanio ........................................................................................ 69
Figura 23: EDX de la zona cercana a la falla, a) se indica la presencia de
carburo de Cromo; b) presencia de carburo de Titanio .............. 70
Figura 24: Distribución alineada de carburos ............................................. 71
ix
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INDICE DE TABLAS
Tabla Pág.
1 Composición química de la aleación Incolloy 800HT 37
2 Variables de diseño de los liners 59
3 Composición típica del gas de purga 62
4 Dureza promedio de la zona deformada del liner del
spare riser
67
6 Composición química de la aleación en servicio, realizada por Fundiciones Lanz
71
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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA
UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA
“ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA
DETERMINACIÓN DEL MECANISMO DE FALLA DE LA
ALEACIÓN DE PRUEBA INCOLOY 800HT, INSTALADA EN EL
LINER DEL BAJANTE DEL REACTOR 10 - T1, DE ORINOCO
IRON® S.C.S.
Autor: Anisleidys S. González Rivas
Tutor Académico: Ing. Miriam Romero
Tutor Industrial: Wilmer Figuera
RESUMEN
El presente trabajo desarrollado en la superintendencia de inspección y corrosión de Orinoco Iron S.C.S. tiene como objetivo la determinación de los posibles mecanismos de falla que experimentó la aleación Incoloy 800HT instalado en el liner del bajante del reactor 10 - T1, de dicha empresa. Para ello se realizaron diversos ensayos tales como análisis metalográfico a 3 muestras (cercana y lejana) a la zona de falla, así como a la muestra original, de manera que ésta sirva de patrón a la hora de comparar los resultados. Además se efectúo un ensayo de dureza con el objetivo de estudiar el comportamiento de la propiedad mecánica después de que el liner estuvo sometido a condiciones de operación. El trabajo es realizado con la finalidad determinar el posible mecanismo de falla para prevenir que posteriormente ocurran fallas similares y que contribuya a concluir desde diferentes puntos de vista que la aleación, para las condiciones de operación establecidas no tuvo un mejor desempeño que la instalada usualmente. Palabras Claves: Deformación plástica, maclas, endurecimiento por precipitación, acero inoxidable, superaleaciones de níquel, esfuerzos a elevadas temperaturas.
xi
12
INTRODUCCIÓN
El continuo avance de las industrias siderúrgicas promueve a que se
implementen nuevas opciones a fin reducir los costos de producción
manteniendo y mejorando la calidad de sus productos con el objetivo de
satisfacer las exigencias de calidad en el área de reducción directa.
Sin embargo cuando se proponen nuevas alternativas, se debe
considerar la complejidad de las máquinas actuales, sometidas a grandes
temperaturas, presiones, velocidades y en general a condiciones rigurosas
de operación ya que dichas condiciones facilitan la aparición de los
problemas de fallas de los componentes, ocasionando la mayoría de las
veces, accidentes que provocan pérdidas de dinero, tiempo y vidas
humanas, Por lo tanto al momento de realizar cualquier análisis de las
causas que producen fallas es importante obtener tantos datos como sean
posibles de la propia pieza que falló, además de examinar las condiciones en
el momento en que se produjo la falla.
En este trabajo se realizará un estudio de los posibles mecanismos de
falla que experimentó la aleación Incoloy 800HT instalado en el liner del
bajante del reactor 10 - T1, de Orinoco Iron® S.C.S. para prevenir que
posteriormente ocurran fallas similares.
Los liners son las líneas de descarga ubicadas en la parte inferior de los
reactores R10 de la empresa Orinoco Iron® S.C.S, hacia los risers que
permiten la compensación de la presión interna del reactor con la presión
atmosférica, a través de esta línea elevadora se enlaza el área de reactores
con el área de briqueteadoras. El hierro reducido circula a través de los
mismos y su tiempo de residencia viene dado por control de nivel.
xii
13
Estos liners han venido presentando un elevado grado de deformación
generando gran pérdida de la capacidad operativa de dichos bajantes y de la
empresa como tal al incrementar los costos debido a su continua sustitución.
El procedimiento que permitió lograr el objetivo de este trabajo fue la
caracterización físico química de la muestra a estudio sin operación y las
muestra que estuvo sometida a condiciones de servicio.
El presente reporte posee una estructura compuesta por los capítulos
descritos a continuación: El Capítulo I, trata de la temática del problema de
investigación. El Capítulo II, engloba el marco referencial y revisión de
bibliografía referente al problema de investigación. El Capítulo III expone la
metodología experimental utilizada en este trabajo para la recolección de
información. El Capítulo IV presenta los resultados obtenidos con sus
respectivas discusiones. Finalmente se presentan las conclusiones y
recomendaciones obtenidas en este estudio.
xiii
14
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
1.1 Planteamiento del problema
Orinoco Iron® S.C.S, es una empresa de reducción directa que emplea el
proceso Finmet®, una tecnología única en el mundo, donde se reducen finos
de mineral de hierro mediante un gas reductor en lecho fluidizado a
temperatura y presión elevadas. El producto final es hierro briqueteado en
caliente y para lograrlo, la planta cuenta con cinco áreas funcionales: Mineral
y Producto, Servicios, Planta de Gas, Briqueteadora y Reactores.
En el área de reactores, mediante una reacción química gas/sólido, el
mineral de hierro natural se va reduciendo progresivamente desde el reactor
R40 al R10, donde se obtiene un mineral con alto grado de metalización
( 92%) a 800°C; el mismo es descargado del recipiente mediante sus
bajantes para ser compactado en el área de briqueteado.
Los bajantes son las boquillas de descarga del R10, los cuales poseen
instalados internamente un tubo concéntrico de menor diámetro denominado
liner; el R10 posee tres tipos de bajantes: main riser, spare riser y bajante de
emergencia, por ellos se descarga el mineral reducido por diferencial de
presión hacia el posterior proceso de briqueteado. Los liners poseen una
inyección continua de gas a una presión de 13bar, con la finalidad de evitar
su obstrucción. Sin embargo, en ocasiones cuando se presentan
obstrucciones es inyectado gas a 50bar a temperatura ambiente. Este gas es
15
denominado gas de purga y su composición típica es H2 (87%), CO2 (11%) y
O2 (2%).
Continuamente, al finalizar el período de corrida, los liners de los bajantes
del main riser y spare riser han evidenciado deformación plástica crítica
provocando su posterior reemplazo. El material utilizado para la fabricación
de estos liners está regido por el estándar ASTM A312 TP 304H.
En el año 2007 se presentó un trabajo de investigación que se titula:
“Análisis de falla de los liners internos de los bajantes de descarga de
mineral del reactor R10 de la empresa Orinoco Iron® S.C.S”, el cual reflejaba
la alta frecuencia de falla de los liners, así como los elevados costos que
implicaba su reemplazo. El modo de falla determinado fue deformación
plástica y sensibilización del acero inoxidable AISI 304H debido a las altas
temperaturas. Conjuntamente se identificaron grietas cercanas al orificio de
la purga, las cuales fueron promovidas principalmente por la fuerte vibración
al momento de realizar el soplado.
Debido a los eventos antes mencionados, se inició una investigación para
hallar una metalurgia que presentara un mejor desempeño a las condiciones
de operación indicadas anteriormente, encontrándose como posible material
de sustitución la aleación Incoloy 800HT (Sandvik Sanicro 31HT), ya que la
teoría indica que posee excelentes propiedades mecánicas y estabilidad
estructural a temperaturas de trabajo similares a las del R10, además de una
buena resistencia a la ruptura por termofluencia.
Es por esta razón que en determinados trenes de operación se fueron
instalando liners con esta nueva metalurgia. En el siguiente trabajo se
evalúan los colocados durante la parada Nº25 del tren 1 en el bajante del
spare riser.
16
El problema se fundamenta básicamente en el deterioro crítico que
experimentó el liner del bajante del spare riser instalado en el R10 durante la
corrida Nº26 del tren 1, después de 92 días de operación y 49 días
transfiriendo mineral. El mismo presentó deformación plástica en la zona
frontal a la purga, con reducción de diámetro externo y agrietamiento
alrededor del agujero de purga.
Entre los posibles factores considerados para que se desarrolle el
mecanismo de falla, destaca el hecho de que el material utilizado para la
fabricación de los liners no es el especificado en el diseño, además es
importante mencionar las caídas de presión cuando el reactor es expuesto a
condición de gas inerte, así como el choque térmico producido por los
constantes purgados, sin dejar de lado los altos esfuerzos provocados por la
descarga del mineral a través del liner.
Si esta problemática no se atiende a tiempo, el liner no cumplirá con su
función primordial que es permitir la descarga del mineral reducido desde el
área de reactores a briqueteadora, generando por tanto gran pérdida de la
capacidad operativa de dichos bajantes.
Surge entonces la necesidad de establecer un plan de trabajo, con la
finalidad de dar a conocer las posibles causas que originaron la falla del liner
y recomendar medidas correctivas a este problema, que garanticen el
aumento del tiempo de vida útil de dichos liners.
De acuerdo a lo antes expuesto, se presentan las siguientes
interrogantes: ¿Las condiciones de servicio están en los límites especificados
en el diseño del equipo? ¿De qué manera afectan las condiciones de servicio
a la aleación Incoloy 800HT? ¿Cuáles son las posibles causas que originaron
la falla del liner instalado en el R10-T1 de la empresa Orinoco Iron® S.C.S?
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1.2 Objetivo General
Determinar el mecanismo de falla de la aleación de prueba Incoloy
800HT, instalada en el liner del bajante del Reactor 10 - T1, de Orinoco Iron®
S.C.S.
1.3 Objetivos Específicos
Revisar las condiciones operativas especificadas en el diseño original
del equipo.
Comparar las condiciones operativas actuales con las especificadas
en el diseño.
Caracterizar la aleación Incoloy 800HT en condición de falla, mediante
ensayo mecánico de dureza, análisis químico, microscopia electrónica
de barrido y análisis metalográfico.
Establecer el mecanismo de falla presente mediante la correlación de
las evidencias encontradas.
1.4 Justificación
La investigación es realizada ya que la alta frecuencia de falla de los
liners genera elevados costos de mantenimiento, por aumento de
horas/hombres trabajadas, tiempos de paradas y períodos sin producción.
De igual forma, la empresa requiere documentar el desempeño de la
aleación Incoloy 800HT y establecer su mecanismo de falla, que permita
concluir desde diferentes puntos de vista, que la misma, para las condiciones
de operación establecidas no tuvo un mejor desempeño que la instalada
usualmente.
18
1.5 Delimitación o Alcance
Esta investigación se realizará en la empresa Orinoco Iron® S.C.S,
destinada al estudio analítico y descriptivo de una muestra de la aleación
Incoloy 800HT que falló en servicio, correspondiente al liner del bajante del
spare riser del reactor R10, tren 1, en conjunto con una muestra de la misma
aleación sin operación.
19
CAPÍTULO II
MARCO REFERENCIAL
2.1 Breve descripción de la empresa
Orinoco Iron® S.C.S, es considerado el mayor productor de hierro
briqueteado en caliente en América. La planta usa la tecnología FINMET®
(finos metalizados) de origen venezolano la cual surge como producto de un
análisis y planteamiento de mejoras del proceso utilizado por FIOR de
Venezuela S.A.
La empresa está en capacidad de producir 2 millones de toneladas al
año. Sus productos han sido los recursos preferidos de unidades de hierro a
nivel mundial y su experiencia exportadora se inició a finales de 1970. Su
misión consiste en producir y suministrar unidades de hierro metálico que
contribuyan a que sus clientes eleven el rendimiento y la calidad de sus
productos.
Figura N° 1: Vista aérea planta Orinoco Iron
Fuente: Orinoco Iron
20
Sivensa y BHP escogieron la localidad de Puerto Ordaz para levantar el
proyecto Orinoco Iron® S.C.S, por la existencia de ventajas comparativas
reunidas en la zona: disponibilidad de mineral de hierro que es extraído y
comercializado exclusivamente por CVG Ferrominera del Orinoco, gas
natural abundante el cual es suministrado por PDVSA Gas, el único
proveedor en la región. Actualmente el gas es producido a 300 millas del
lugar de producción y enviado por tubería a la Planta de Orinoco Iron® S.C.S,
energía producida en la central hidroeléctrica de Guri, que es suministrada
por Edelca, operador de la energía hidroeléctrica de la región de Guyana, así
como el acceso al océano Atlántico a través del río Orinoco.
El 22 de julio de 1998 se levanta la primera columna de la
planta Orinoco Iron en la Zona Industrial Matanzas Puerto Ordaz
destinada a la fabricación de briquetas para el mercado
internacional mediante el proceso FINMET® de reducción directa de mineral
de hierro que fue desarrollado por FIOR de Venezuela,
Briffer International y la compañía austríaca Vois Alpine Industrie
Alagenbau.
En mayo del 2000, luego de la exitosa transferencia de
tecnología en el exterior y después de dos años de labores de
construcción, se puso en marcha el primero de los cuatro trenes de
producción de briquetas HBI (Hot Briquetted Iron) de Orinoco Iron® S.C.S. En
septiembre del 2002 Orinoco Iron alcanzó el primer millón
de toneladas de briquetas producidas y vendidas.
El 15 de enero de 2004, arrancó la producción del tercer tren. En febrero,
Orinoco Iron® S.C.S. alcanzó el segundo millón de toneladas de briquetas
producidas y vendidas. En el 2009 después de un proceso de
21
nacionalización, la administración y control completo de Orinoco Iron® S.C.S.
pasó a manos del Estado Venezolano.
2.1.1 Estructura Organizacional
Figura N° 2: Organigrama de la empresa.
Fuente: Orinoco Iron
La Presidencia Ejecutiva, se encuentra integrada por un presidente
ejecutivo que es el ente encargado de gerenciar el proyecto de
arranque, construcción y planificación de todas las áreas que
conforman la empresa.
El Departamento de Finanzas y Administración, está encargado del
asesoramiento en materia administrativa y mercantil de todos los
bienes y servicios requeridos por el proceso.
PRESIDENCIA
VICEPRESIDENTEEJECUTIVO
VICEPRESIDENCIADE MATERIALES
VICEPRESIDENTEEJECUTIVO
ADMINISTRACIÓN Y FINANZAS
VICEPRESIDENTEDE VENTAS
VICEPRESIDENTE DE
OPERACIONES
VICEPRESIDENTER.R.H.H. Y
RELACIONES INDUSTRIALES
DIRECCIÓN DERELACIONES
INSTITUCIONALESGUAYANA
VICEPRESIDENTEAMBIENTE YSEGURIDAD
22
El Departamento de Operaciones, se encarga de prestar los servicios
de ingeniería de proceso a todas las áreas que conforman el proceso
FINMET®.
El Departamento de Recursos Humanos y Relaciones Públicas está
encargado de la capacitación y búsqueda, de profesionales y personal
preparado para ser entrenado e integrado a todas las actividades
propias del proceso.
El Departamento de Materiales, se encarga de todo lo concerniente a
la adquisición de insumos y materiales requeridos dentro de las áreas
de operatividad y desarrollo del proceso.
El Departamento de Ambiente y Seguridad, gestiona y contribuye en la
aplicación de todas las normas y procedimientos que ayuden en la
protección e integridad del personal que labora dentro de las áreas
que conforman el proceso.
2.1.2 Ubicación geográfica
Orinoco Iron® S.C.S. se encuentra ubicada en la parcela UD-507-01-02
Zona Industrial Matanzas Norte, Avenida Norte - Sur 7, adyacente a la
planta RDI-FIOR, Puerto Ordaz, Estado Bolívar. Venezuela. La ubicación de
la planta se escogió con el fin de aprovechar la cercanía a minas de mineral,
los pozos de gas natural, un gran sistema de energía hidroeléctrica, así como
la disposición de vías ferroviarias y servicios portuarios que facilitan el
transporte de sus productos y materia prima.
23
2.1.3 Funciones de la empresa
Promover y prever seguridad dentro del entorno de trabajo, que
garantice una operación libre de accidentes y una existencia
saludable.
Satisfacer plena y continuamente los requerimientos del cliente en
cuanto a calidad del producto.
Mantener continuo aporte de mejoras e innovaciones tecnológicas, a
través de la investigación y el desarrollo de nuevos procesos, que
garanticen un continuo crecimiento.
Alcanzar y mantener los estándares requeridos, necesarios para la
prevención del ambiente.
Fomentar la integración de los trabajadores y los sindicatos hacia el
loro de los objetivos comunes que promuevan la competitividad de la
empresa.
Cumplir estrictamente el ordenamiento legal vigente.
2.1.4 Misión
“Nuestra misión es contribuir a que nuestros clientes eleven su
rendimiento y la calidad de sus productos, mediante el suministro confiable
de unidades de hierro metálico que superen sus expectativas y sean acordes
a sus procesos siderúrgicos. Todo ello de manera que se obtenga una
rentabilidad que fortalezca nuestra viabilidad, promueva nuestro crecimiento,
proporcione mayor bienestar al personal, contribuya al desarrollo social y
aporte atractivos retornos a la inversión de nuestros accionistas”.
24
2.1.5 Visión
“Ser el productor y suministrador de unidades de hierro metálico más
competitivo y confiable del mundo; operando sin accidentes, con mínimo
impacto ambiental, alta responsabilidad legal y social, suplidores confiables y
con personal, clientes y accionistas satisfechos”.
2.1.6 Política de calidad
“Dirigimos nuestras acciones para entregar oportunamente a nuestros
clientes productos y servicios que superen sus expectativas, mediante el
mejoramiento continuo de la eficacia de los procesos, con un margen
adecuado de utilidad”.
2.1.7 Política ambiental
“En las empresas filiales IBH fabricamos y comercializamos unidades de
hierro metálico en armonía con la naturaleza; por ello asumimos el
compromiso de evitar y minimizar los impactos ambientales, a través del
mejoramiento continuo de nuestros procesos”.
2.1.8 Instalaciones básicas
La planta que mediante tecnología FINMET®, opera en Orinoco Iron®,
consta de 5 áreas operativas:
Área de preparación y alimentación de mineral.
Área de generación y preparación del gas reductor.
Área de reactores.
Área de briqueteado.
Área de servicios.
25
2.1.8.1 Área de preparación y alimentación del mineral
En esta sección se reciben, apilan y clasifican y secan los finos de
material de hierro provenientes de C.V.G. Ferrominera del Orinoco, para
posteriormente ser distribuidos hacia los trenes de reactores de la planta.
Esto se lleva a cabo tomando en cuenta los parámetros de distribución
granulométrica, tendencia a la decrepitación y composición química. Los
finos del mineral son trasladados hacia las tolvas de almacenamiento.
Figura N° 3: Área de preparación y alimentación del mineral
Fuente: Orinoco Iron
2.1.8.2 Área de generación y preparación del gas reductor
En esta área se preparará un gas con alto poder reductor a la presión,
temperatura y composición química requeridos en el circuito de reactores.
Cabe destacar que en el proceso FINMET®, la composición del gas reductor
puede ser ajustada según requerimientos debido a la disposición de la
26
unidad de remoción de CO2 en el circuito del gas de reciclo. En esta sección
también se recupera parte de los gases de combustión del horno reformador
para la obtención de gas inerte, que posteriormente será comprimido en el
área de servicios.
Figura N° 4: Área de Planta de Gas.
Fuente: Orinoco Iron
2.1.8.3 Área de reactores
Esta área es el corazón del Proceso FINMET®. El área consta de dos
módulos, los cuales están compuestos de dos trenes cada uno y estos trenes
a su vez contienen cuatro reactores reductores conectados en serie, en
donde ocurren las reacciones de reducción. El mineral proveniente de los
sistemas de alimentación de mineral fluye por gravedad a través de los
reactores ubicados en serie descendente, entrando en contacto con el gas
reductor. A medida que el mineral desciende, sufre una reducción continua
hasta adquirir propiedades metálicas. En cada reactor se realiza una
reacción química diferente dependiendo de las condiciones de presión y
temperatura a la cual se trabaje.
27
2.1.8.3.1 Reactor R-40
Es el primer reactor del tren y su forma es cilíndrica. En él se elimina el
agua de cristalización que posee el mineral. Se puede considerar que actúa
como un secador, debido a que el porcentaje de reducción es mínimo. La
reacción ocurre aproximadamente a 450 °C.
2.1.8.3.2 Reactor R-30
Aquí toda la hematita proveniente del R-40 se reduce a magnetita a
través de la reacción redox. La temperatura de operación es de 641°C en el
reactor cilíndrico.
Figura N° 5: Reactor R40-R30
Fuente: Orinoco Iron
28
2.1.8.3.3 Reactor R-20
En este reactor se reduce toda la magnetita a wustita a una temperatura
de 730 °C. El reactor es tipo swedged, es decir, el diámetro en el tope del
reactor aumenta.
2.1.8.3.4 Reactor R-10
Ocurre la etapa final de reducción de la wustita a hierro metálico a una
temperatura de 800 °C aproximadamente. Reactor tipo swedged.
Figura N° 6: Reactor R20-R10
Fuente: Orinoco Iron
29
2.1.8.3.5 Descripción del funcionamiento de los bajantes de
descarga de mineral del reactor R-10
En la parte inferior del reactor R-10 están ubicadas las tres líneas de
descarga de mineral, dos de estas se comunican con la línea elevadora la
cual permite la compensación de la presión interna del reactor con la presión
atmosférica, a través de esta línea elevadora se enlaza el área de reactores
con el área de briqueteadoras. La otra línea va a un tambor de vaciado de
emergencia.
Figura N° 7: Disposición de los bajantes de descarga de un módulo.
Fuente: Orinoco Iron
El bajante principal de descarga de mineral identificado como main riser,
está formado internamente por un liner, el cual según su ubicación está
embutido en refractario o no; en el caso del liner sobre parrilla (figura 8)
podemos observar que se encuentra totalmente expuesto, no cuenta con
ningún material aislante que lo proteja de las elevadas temperaturas
alcanzadas en el interior del reactor; por otra parte, los liners internos de las
válvulas KC, están cubiertos por una capa de refractario la cual aísla al
30
mismo de la atmósfera exterior, mantiene la temperatura del mineral dentro
del bajante evitando que al enfriarse este se quede atascado y protege a los
trabajadores del área de una exposición excesiva a elevadas temperaturas.
El liner del bajante de descarga de mineral del reactor R-10 está
conformado como se muestra a continuación:
Figura N° 8: Bajante de descarga de mineral sobre parrilla.
Durante la operación normal de los bajantes de descarga de mineral
reducido, los sólidos deben fluir sin obstáculos cada vez que la válvula
deslizante abra y cierre cíclicamente. En algunas de las zonas de los
bajantes es factible la formación y aglomeraciones debido a accesorios que
disminuyen la velocidad del flujo (conos, válvulas, etc.) ocasionando pérdida
de la transferencia de sólidos. Cuando los bajantes presentan obstrucción y
pérdida de transferencia, es necesario realizar un soplado a través de las
purgas con gas de purga a una presión de 50 bar, las cuales se encuentran
colocadas en sitios estratégicos donde usualmente ocurre la obstrucción.
31
2.1.8.3.6 Sistema de purgas en los bajantes de descarga de mineral
Los liners, poseen “purgas” que facilitan la fluidización y movilidad de los
finos en el mismo a una presión de 13 bar y que permite verificar que el flujo
de sólido a través de ellos sea normal. Los principales componentes del gas
de purga son H2 (87%), CO2 (11%) y O2 (2%). Las purgas cumplen las
siguientes funciones:
Mantener la continua fluidización de los sólidos en los bajantes.
Medir y monitorear el diferencial de presión que podría ser registrado
en las distintas zonas de los bajantes.
Remover el sólido que puede quedar acumulado en las paredes de los
liners de los bajantes de descarga.
Eventualmente se utiliza gas de purga a una presión de 50 bar para
soplado en caso de obstrucción.
En ocasiones el reactor es expuesto a condición de gas inerte debido
a problemas internos ocasionando caídas de presión hasta valores de
5 bar.
2.1.8.4 Área de briqueteadoras
El producto metalizado proveniente del último reactor es transportado
neumáticamente hacia el tambor alimentador de las máquinas
briqueteadoras, en donde los finos son compactados en caliente
(aproximadamente a 700°C) por efecto de la presión hidráulica de las
prensas rotatorias. Posteriormente el producto es cribado y el material que no
fue compactado será reciclado nuevamente hacia la máquina. Las briquetas
son enfriadas y pasivadas por un sistema de aire, luego pasan a las pilas de
32
almacenamiento o a los silos de carga del tren, desde donde serán
transportados hasta el puerto. El producto obtenido es de una densidad
superior a 5,0 gr/cc, con alto contenido metálico, esencialmente inerte al
ambiente y puede ser manipulado y transportado con medios convencionales
de manejo de productos a granel.
Las propiedades físicas y químicas, menor generación de finos durante el
transporte, menor contenido de ganga y residuales así como su mayor
contenido de carbono y mayor porcentaje de metalización hacen de las
briquetas Orinoco Iron un producto superior a cualquier otro producto de
reducción directa HBI/DRI.
Figura N° 9: Producto final del proceso FINMET® (Briqueta)
Fuente: Orinoco Iron
2.1.8.5 Área de Servicios
Las diferentes áreas del proceso FINMET® requieren para su
funcionamiento un conjunto de servicios auxiliares tales como:
Sistema de tratamiento de agua de alimentación: el agua necesita un
tratamiento previo para la eliminación de sólidos suspendidos,
minerales y dureza, debido a que es suministrada directamente por la
33
Corporación Venezolana de Guayana, sin que se le haya realizado
algún tratamiento.
Aire de servicio e instrumentación: cuenta con tres compresores
eléctricos que permiten obtener los requerimientos generales de aire
en la planta.
Sistema de recirculación, enfriamiento y purificación: este sistema
consta de una piscina sedimentaria o pozo, un sistema de bombeo y
una torre de enfriamiento. El agua usada en el proceso, es enviada a
los pozos para despojarla de las partículas sólidas de asentamiento.
De allí pasa a las torres de enfriamiento y luego a través de las
bombas se recircula al proceso.
Generación de gas inerte: cuando se hace reaccionar gas natural con
aire de la atmósfera, en forma estequiométrica, se produce CO2 y N2.
El gas inerte es comprimido y pasado a través de un secador de sílice.
2.2 Descripción del área de pasantía
La Superintendencia de Inspección y Corrosión se encuentra adscrita a la
Gerencia Técnica, y se encarga de:
Maximizar la confiabilidad y disponibilidad de los equipos y sistemas
en corrida.
Prevenir, predecir y anticipar fallas o deterioro de la condición
mecánica de los equipos y realizar efectivos análisis cuando éstas
ocurren en forma imprevista.
34
Proveer servicios de inspección oportunos y efectivos al proceso de
ejecución de paradas, a fin de contribuir con la disponibilidad y
confiabilidad del arranque y operación de los trenes.
Incorporar metodologías y tecnología de punta en los procesos y
servicios de inspección y corrosión a los fines de impactar los tiempos
de ejecución y la anticipación de fallas.
Consolidar la implantación de la nueva organización de Inspección y
Corrosión en la Gerencia Técnica.
Figura N° 10: Estructura Organizativa de la Superintendencia de Inspección
y Corrosión
Fuente: Orinoco Iron
GERENCIA TÉCNICA
SUPERINTENDENCIA DE INSPECCIÓN Y CORROSIÓN
SUPERVISOR DE INSPECCIÓN DE EQUIPOS ESTÁTICOS
INSPECTOR DE EQUIPOS ESTÁTICOS
INSPECTOR ESPECIALISTA
SUPERVISOR DE INSPECCIÓN DE PARADAS DE PLANTA
COORDINADOR DE INSPECCIÓN
INGENIEROS DE CORROSIÓN
35
2.2.1 Misión
“Velar por la integridad mecánica de las instalaciones y equipos de
Orinoco Iron así como su confiabilidad y disponibilidad, mediante la
prestación oportuna y calidad de servicios de análisis, inspección y ensayos,
que conduzcan a la implantación efectiva de recomendaciones de parte de
las organizaciones operacionales y de mantenimiento, apoyándonos en la
excelencia de nuestra gente, así como normas, estándares, guías y
procedimientos técnicos.”
2.2.2 Visión
“Ser una unidad de excelencia en la prestación de servicios de inspección
y corrosión, reconocida por su liderazgo técnico, la capacidad, competencia y
compromiso del recurso humano y el apego a las normas y estándares de
diseño y mantenimiento.”
2.3 Descripción del trabajo asignado
Durante el periodo de pasantía se realizará un estudio que reflejará el o
los posibles mecanismos de falla que experimentó el liner instalado con la
aleación de prueba Incoloy 800HT, ubicado en el R-10, perteneciente al tren
1 módulo 1 de la empresa Orinoco Iron® S.C.S. Se analizarán muestras del
liner en servició que falló en distintas zonas: una, de la zona lejana a la falla y
otra, cercana a la misma, así como una muestra de la aleación de prueba
que no estuvo sometida en condiciones de servicio. Para ello se estudiarán
la composición química inicial, análisis metalográfico, así como ensayo
mecánico de dureza.
36
2.4 Bases Teóricas
2.4.1 Aceros Inoxidables
En metalurgia, el acero inoxidable se define como una aleación de acero
con un mínimo de 10% de cromo contenido en masa. El acero inoxidable es
resistente a la corrosión, dado que el cromo, u otros metales que contiene,
posee gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él formando una capa
pasivadora, evitando así la corrosión del hierro. Sin embargo, esta capa
puede ser afectada por algunos ácidos, dando lugar a que el hierro sea
atacado y oxidado por mecanismos intergranulares o picaduras
generalizadas. Contiene, por definición, un mínimo de 10,5% de cromo.
Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos
aleantes; los principales son el níquel y el molibdeno.
2.4.2 Incoloy (Aleaciones Níquel-Hierro-Cromo)
Estas aleaciones se caracterizan por una buena resistencia a la oxidación
en ambientes acuosos y por su excelente resistencia a la oxidación en
atmósferas a altas temperaturas. El contenido de níquel logra que la aleación
sea superior al acero inoxidable en resistencia a la corrosión, especialmente
la originada por iones cloruros y a la corrosión bajo tensión. A altas
temperaturas, el contenido significativo de cromo provee resistencia a
ambientes oxidantes, ya a la combinación de níquel, hierro y cromo brinda
buena resistencia a la ruptura. Las aplicaciones incluyen hornos y equipos de
tratamiento térmico, generadores de vapor entre otros.
2.4.3 Incoloy 800HT o Sandvik Sanicro 31HT
La aleación Incoloy 800HT es un material usado para aplicaciones
expuestas a elevadas temperaturas y que requieran optimas propiedades
ante la ruptura y creep; siendo el cromo el elemento que aporta la resistencia
a la oxidación y a creep, un elevado porcentaje de níquel mantiene una
37
estructura austenítica de manera de que la aleación sea dúctil y a su vez
contribuya tanto a la resistencia al avance de dislocaciones, la resistencia a
la corrosión general, así como a su resistencia a el fenómeno de corrosión
bajo tensión. Por otro lado, el contenido de hiero proporciona la resistencia
interna a la oxidación. Esta aleación es la primera opción de mejora de los
aceros inoxidables de la serie 300 cuando se requiere un mejor desempeño
del material ante la aplicación de elevados esfuerzos mecánicos y elevadas
temperaturas como fue mencionado anteriormente.
2.4.3.1 Composición química de la aleación Incoloy 800HT
Tabla N° 1: Composición química de la aleación Incoloy 800HT
C Si Mn P máx. S máx. Cr Ni Al Ti Fe
0,07 0,6 0,6 0,015 0,010 20,5 30,5 0,5 0,5 bal.
2.4.3.2 Características del Sandvik Sanicro 31HT (Incoloy 800HT)
Alta resistencia a la fluencia.
Muy buena resistencia a la oxidación.
Buena resistencia a la combustión de gases.
Muy buena resistencia a la carburización.
Buena resistencia a la absorción de nitrógeno.
Buena estabilidad estructural a altas temperaturas.
Buena soldabilidad.
Buena resistencia a la corrosión en muchos ambientes ácidos.
Buena resistencia en atmósferas que contienen sulfuro.
38
2.4.3.3 Resistencia a la corrosión en aire
Incoloy 800HT es altamente resistente a la oxidación, tanto a nivel
constante, como a temperaturas que varían cíclicamente. La temperatura de
servicio en el aire no debe exceder de unos 1100 ° C (2010 ° F). El proceso
de oxidación se acelera por las fluctuaciones de temperatura, así como por la
deformación plástica, por ejemplo la fluencia.
2.4.3.4 Otras atmósferas gaseosas
Además de su muy buena resistencia a la oxidación y carburización,
Incoloy 800HT también tiene buena resistencia a los gases de combustión y
otras mezclas de gases agresivos. Su temperatura máxima de servicio en
una atmósfera sulfurosa, sin embargo, es menor que en el aire, y está
determinado principalmente por el oxígeno y el contenido de azufre de los
gases.
2.4.3.5 Corrosión húmeda
Sandvik Sanicro 31HT tiene más o menos la misma resistencia que la
aleación 800 a la corrosión general y picaduras. Gracias al elevado contenido
de níquel, su resistencia a la corrosión bajo tensión es buena.
Debido a su contenido de carbono relativamente alto y el tratamiento
térmico aplicado, Sandvik 31HT Sanicro pueden ser propensos a la corrosión
intergranular. Este problema puede no considerarse cuando se refiere a
operaciones a altas temperaturas, sino que debe darse en casos cuando la
aleación se expone a condensados agresivos o soluciones de decapado.
2.4.4 Acero Inoxidable AISI 304H
El material AISI 304H es un acero inoxidable austenítico con un contenido
de carbono controlado para mejorar su resistencia a altas temperaturas. Es
un material con excelente ductilidad. Para casos de estampado extra
39
profundo, un aumento en el tenor de níquel permite mejorar todavía más la
ductilidad.
En cuanto a su resistencia a la corrosión a altas temperaturas, el material
AISI 304H posee ciertas limitaciones cuando el medio de exposición contiene
Sulfuro. Bajo esa condición, este acero debe ser utilizado sólo a
temperaturas inferiores a los 600 °C, teniendo especial cuidado cuando se
trata de atmósferas reductoras ya que podrían presentarse otros
mecanismos de degradación distintos a la oxidación, como lo es la
carburización. Igualmente, se debe destacar que el acero AISI 304H posee
un contenido de carbono relativamente alto, por lo que se sensibiliza a altas
temperaturas, aumentando el riesgo de corrosión intergranular.
2.4.5 Acero Inoxidable AISI 316L
Es un acero inoxidable austenítico al molibdeno, tiene excelente
resistencia a la corrosión prácticamente frente a cualquier agente corrosivo
de concentración elevada y hasta temperaturas de aproximadamente 300°C.
Presenta mejores propiedades de resistencia a la corrosión que el tipo 304.
No es templable y se puede endurecer por deformación en frío. En estado
recocido (hipertemplado) no es ferromagnético. Debido a su bajo contenido
de C no presenta corrosión intergranular aun en estado recalentado. El acero
tipo 316L es una modificación de bajo carbono para minimizar la formación
de carburos durante el proceso de soldadura, es soldado fácilmente pero
para soldar hay que usar electrodos del mismo tipo de acero. Estos aceros
se usan en equipos para el manejo de productos químicos, de pulpas de
papel, equipos para laboratorio fotográfico y equipos para el manejo de
alimentos.
40
2.4.6 Falla
El término falla no es particularmente preciso, tiene muchas
significaciones. Un término técnico para la palabra falla es cese de la función
o inutilidad. En ingeniería se trata de asimilar la palabra falla a fractura.
Conociendo la fractura como uno de los estados finales de una falla y
significa separación en partes de un todo material.
2.4.7 Fluencia lenta (Creep)
Es una falla que ocurre por la deformación plástica ocurrida en un
componente en un período de tiempo bajo la influencia de esfuerzos y
temperaturas hasta que los cambios dimensionales acumulados interfieran
con la habilidad del componente para realizar su función de diseño.
Frecuentemente pueden observarse tres etapas bien diferenciadas en el
proceso de Creep:
1. Etapa de Creep primario, durante la cual la velocidad de la
deformación es decreciente. Tiene lugar cuando la tensión aplicada es
menor que la resistencia a largo plazo de la muestra.
Etapa de estado estacionario o de Creep secundario durante la cual
la velocidad de deformación se mantiene más o menos constante. Se
caracteriza por una aceleración de la tasa de deformación de la
probeta antes de la falla bajo cargas de larga duración. La etapa
secundaria o creep secundario ocurre sólo si el nivel de tensión
excede la capacidad de carga a largo plazo del espécimen.
Creep terciario, durante la cual la velocidad de deformación
incrementa rápidamente hasta que ocurre la ruptura. Esta última etapa
es conocida como ruptura por Creep.
2.4.8 Deformación inducida por esfuerzo o temperatura
Este fenómeno ocurre cuando la deformación elástica en un componente
de una maquinaria, debido a las cargas impuestas por los esfuerzos o
41
temperaturas de operación, se incrementan lo suficiente para interferir con la
función normal de trabajo de la maquinaria. La solución de fallas resultantes
de piezas sometidas a sobreesfuerzos depende de la determinación de
factores como el esfuerzo sobre la pieza y la resistencia requerida para
soportar ese esfuerzo. Dependiendo del tipo de carga y de la geometría de la
pieza puede haber esfuerzo simple axial o un sistema complejo de esfuerzos
multiaxiales. El esfuerzo total puede incluir esfuerzos internos residuales
originados en la fabricación o tratamiento térmico, así como esfuerzos
debidos a cargas externas.
2.4.9 Fallas por choque térmico
Estas fallas ocurren cuando los gradientes térmicos generados en un
componente son tan pronunciados que las deformaciones térmicas
diferenciales exceden la capacidad del material de soportarlas sin que ocurra
fluencia o fractura.
2.4.10 Deformación plástica
La deformación plástica de los materiales es la deformación permanente
de los mismos como consecuencia de la aplicación de una tensión externa. A
temperatura ambiente, son dos los mecanismos responsables de esta
deformación plástica de cristales: deslizamiento y maclado. Cada uno tiene
características particulares, que se pueden apreciar mediante la observación
en el microscopio óptico de la superficie pulida de una muestra. La activación
de uno de estos mecanismos o de ambos y el orden en que se activen
depende de la estructura cristalina del material.
La deformación plástica de los metales tiene lugar principalmente por el
proceso de deslizamiento, que involucra un movimiento de las dislocaciones.
El deslizamiento usualmente tiene lugar sobre los planos más compactos y
en las direcciones compactas. La combinación de un plano de deslizamiento
42
y una dirección de deslizamiento constituye un sistema de deslizamiento. Los
metales con un alto número de sistemas de deslizamiento son más dúctiles
que aquellos con sólo unos pocos sistemas de deslizamiento. Muchos
metales se deforman con formación de maclas cuando el deslizamiento es
difícil. Los límites de grano a bajas temperaturas, usualmente endurecen los
metales por proporcionar barreras al movimiento de las dislocaciones, sin
embargo, bajo algunas condiciones de deformación a alta temperatura, los
límites de grano se vuelven regiones de debilidad debido al deslizamiento del
límite de grano.
2.4.11 Deformación por maclado
A pesar de que el principal mecanismo de deformación en materiales
cristalinos es el deslizamiento, el maclado (formación de maclas) puede
contribuir a la deformación cuando el deslizamiento es restringido como es el
caso, en general, de las estructuras HCP. Bajo ciertas condiciones un metal
fuertemente maclado puede ser más fácilmente deformado que uno libre de
maclas. La zona maclada tiene la misma estructura cristalina que el cristal
original, pero distinta orientación. Sobre una superficie pulida la macla de
deformación presenta el aspecto de agujas.
Cuando se trabaja con un material policristalino, cada grano tendería a
deformarse como un monocristal (por deslizamiento y/o maclado). Pero la
presencia de bordes de grano, determina que cada uno se deforme de una
manera compatible con la deformación de los demás. En el deslizamiento,
los límites de grano introducen restricciones al movimiento de las
dislocaciones. En el caso del maclado y cuando una macla termina dentro de
un grano, la deformación asociada es tal que produce esfuerzos locales
elevados lo que induce a un nuevo deslizamiento, y en el caso de llegar al
límite de grano, puede inducir maclado en granos vecinos.
43
2.4.12 Superaleaciones de níquel
Las superaleaciones en general contienen grandes cantidades de
elementos de aleación con el fin de producir una combinación de alta
resistencia a altas temperaturas, a la corrosión, a las vibraciones y a la
termofluencia es decir alta resistencia mecánica a altas temperaturas) a
temperaturas superiores a los 1000 ºC.
Presentan una microestructura peculiar, causante de sus excelentes
propiedades, con una distribución en dos fases, gamma (γ) y gamma prima
(γ´).
Fase gamma: solución sólida centrada en las caras que actúa como
matriz.
Fase gamma prima: dispersión de precipitados ordenados
intermetálicos, responsable de la gran resistencia de las
superaleaciones. Las fórmulas estequiométricas de esta fase son:
Ni3Al, Ni3Ti o Ni3(AlTi). Los átomos en la gamma prima están mucho
más ordenados que en la gamma.
Figura N° 11: Estructura cristalina de la fase gamma y gamma prima
Fuente: Sequeiro 2006
Los átomos de una superaleación están distribuidos en dos o más fases,
o tipos de disposición. En las superaleaciones basadas en el níquel, las
44
fases se denominan gamma y gamma prima. Los cristales, diminutos y
normalmente cúbicos, de la fase gamma prima se incrustan en una matriz
formada por la fase gamma. La principal diferencia entre las dos fases radica
en que los átomos en la gamma prima están mucho más ordenados que en
la gamma. Es decir, si bien es verdad que los planos de átomos siguen la
misma disposición en ambas fases, también es cierto que los átomos de
níquel ocupan lugares específicos en cada plano de la fase gamma prima y
que otros lugares específicos están ocupados por los átomos del otro metal,
que suele ser aluminio. (En la fase prima de la superaleación níquel-aluminio,
existen tres átomos de níquel por cada átomo de aluminio.) En la fase
gamma, cada tipo de átomo puede ocupar cualquier sitio.
Para comprender las propiedades especiales de las superaleaciones, es
necesario entender primero cómo se comporta la microestructura de un metal
frente a una fuerza aplicada. Si se aplica una fuerza de corte a una muestra
metálica simple, un plano imaginario, llamado plano de cizallamiento, la
divide en dos partes imaginarias: mientras la parte superior se ve empujada
hacia la derecha por la fuerza aplicada, la parte inferior se mantiene
estacionaria.
Surge la duda de cuál sería efecto de esa fuerza de corte en la
microestructura para eso imaginemos planos de átomos a cada lado de la
muestra, que sean aproximadamente perpendiculares a la fuerza aplicada y
por tanto, al plano de cizallamiento. La mitad superior del plano situado en el
extremo izquierdo de la muestra se desplazará hacia la derecha, pero la
mitad inferior no. Si se aplica una fuerza suficiente, el plano se romperá en
dos; la mitad superior izquierda se desplazará un poco dentro de la muestra.
Podrá ocurrir que se empuje tanto que fuerce el semiplano vecino, el
semiplano en el interior de la muestra.
45
Figura N° 12: Planos de deslizamiento ante una fuerza de corte.
Fuente: Sequeiro 2006.
Por lo tanto el primer semiplano desplaza al segundo, empujándolo hacia
el interior de la muestra y ocupando su lugar en el cristal ordenado. El
semiplano desplazado desplaza, a su vez, al semiplano vecino, ocupando su
lugar.
De este modo, un semiplano adicional se propaga a través de la muestra,
con lo que la mitad superior de la muestra acaba por desplazarse hacia la
derecha una distancia atómica interplanar. Si la fuerza se mantiene
constante, la muestra continuará deformándose. El plano extra que se
desplaza a través de la muestra se denomina línea de dislocación.
Un metal duro ofrece dificultades para el desplazamiento de las
dislocaciones en su interior y no se deforma tan fácilmente como un metal
que permita el libre movimiento de las dislocaciones. La microestructura de
las superaleaciones basadas en el níquel dificulta el movimiento de las
46
dislocaciones; por cuyo motivo las superaleaciones son más resistentes que
la mayoría de las aleaciones ordinarias.
La clave de la resistencia de las superaleaciones de níquel reside en
la presencia de cristales de la fase gamma prima. La fase gamma prima está
ordenada: los átomos de níquel y de aluminio ocupan posiciones específicas
dentro de la red cristalina. Cuando un semiplano se desplaza ocupando el
lugar del vecino, ciertas posiciones atómicas que en el semiplano original
estaban ocupadas por átomos de aluminio lo están ahora por átomos de
níquel, y viceversa. Esta disposición atómica tiene mayor energía interna que
la fase gamma prima sin deformar, dificultando el desplazamiento de una
dislocación a través de la fase gamma prima. (Las dislocaciones se
desplazan a través de la fase gamma prima por pares; una segunda
dislocación debe moverse a través del material suprimiendo el desorden
causado por la primera.)
En una muestra de una superaleación que contenga ambas fases, las
dislocaciones se mueven con relativa facilidad a través del material en la fase
gamma, pero se frenan y se anclan en los cristales de la gamma prima. Por
tanto, las superaleaciones resisten la deformación y son más rígidas que una
aleación convencional.
2.4.12.1 Procesos de endurecimiento empleados en las
superaleaciones de Níquel:
Endurecimiento por solución sólida: Grandes adiciones de Cr, Mo y W,
pequeñas adiciones de Ta, Zr, Nb y B proporcionan el endurecimiento
por solución sólida. Estos efectos son bastante estables, actuando los
47
bordes de grano como frenos en el avance de las dislocaciones, lo
que provoca la resistencia a la termofluencia.
Endurecimiento por dispersión de carburos: Todas las
superaleaciones contienen pequeñas cantidades de carbono, que en
combinación con otros elementos aleantes produce una red de finas
partículas de carburo muy estables. Estos carburos, tales como TiC,
BC, ZrC, TaC, etc, poseen una extraordinaria dureza.
Endurecimiento por precipitación: Algunas superaleaciones de níquel
que contienen Al y Ti forman precipitados endurecedores, coherentes
con la matriz, del tipo gamma prima (Ni3Al, Ni3Ti, Ni3 (AlTi) ) durante el
envejecimiento, que aumentan la resistencia de la aleación, sobre todo
a altas temperaturas.
48
CAPÍTULO III
ASPECTOS PROCEDIMENTALES
En este capítulo se exponen los aspectos referidos al diseño
metodológico utilizado para el desarrollo del estudio, el cual consiste en
desarrollar el análisis de falla del bajante de descarga de mineral del reactor
R10-T1 de la empresa Orinoco Iron® S.C.S.
3.1 Actividades ejecutadas
Para la elaboración del presente trabajo fue necesaria la ejecución de las
siguientes actividades:
3.1.1 Relacionadas con el trabajo asignado
Revisión de información técnica a través de la investigación de
documentos pertenecientes a la empresa, como por ejemplo, los
registros, historiales, informes, entre otros, a fin de conocer el
funcionamiento y las condiciones de operación necesarias que
permitan cumplir a cabalidad los objetivos planteados.
Inspección visual de las condiciones iniciales del liner.
Corte de las muestras del liner que estuvo expuesto a condiciones de
servicio de dos zonas (alejada y cercana a la falla).
Preparación superficial de las muestras (sección transversal y
longitudinal) para realizar análisis metalográfico.
49
Realización de ensayo mecánico de dureza.
Recolección de muestras para realizar microscopia electrónica de
barrido y microanálisis químico vía EDX.
Recolección de muestras para realizar análisis químico.
3.2 Técnicas e instrumentos de recolección de información
Para la realización de la investigación, se requirió de diferentes técnicas
para obtener la información necesaria, como son:
3.2.1 Revisión bibliográfica y documental
Se procede a identificar la ubicación de los liners y así tener una idea de
las condiciones de operación del proceso que los involucra. Para la revisión
bibliográfica es fundamental consultar información técnica que permita
adquirir conocimientos de interés y recopilar datos necesarios sobre las fallas
de los liners, el tiempo de servicio, reportes de inspección, variables
operacionales, planos de diseño del bajante, condiciones encontradas, así
como entrevistas no estructuradas al personal relacionado con esta área. De
igual forma se debe analizar información referida a las bases teóricas que
permitan sintetizar las ideas primordiales de dicha investigación, además, por
vía electrónica a través de la red interna de la empresa “Intranet” se puede
acceder a documentos importantes que aportan gran cantidad de información
para realizar esta investigación cubriendo diversos aspectos y de esta forma
obtener buenos resultados. La información es recopilada con el objeto de
verificar las condiciones reales de operación de los liners y compararlas con
lo establecido en el diseño.
50
3.2.2 Inspección visual
Se realiza un reconocimiento previo del área de reactores
específicamente en el R10 en donde se encuentran los bajantes de descarga
de mineral, a fin de establecer su ubicación y tener una idea de la función
que cumplen los mismos en el proceso de reducción. Seguidamente se
realiza una inspección completa del liner, identificando las fallas presentadas
por el mismo, para la posterior recolección de muestras representativas y
registro fotográfico de las condiciones iniciales.
3.2.3 Corte de las muestras
La muestra del liner es obtenida durante el reemplazo del mismo,
específicamente del bajante de descarga de mineral denominado spare riser,
en la parada número 25 del tren 1.
Una vez recopilada la información necesaria y establecida las condiciones
de operación, se toman fotografías del liner antes del corte, como parte de la
inspección visual. Posteriormente la muestra se debe cortar para tener dos
muestras; zona alejada y cercana a la falla, y permitir así un mejor manejo
sobre ellas.
51
Figura N° 13: Selección de las zonas a estudiar en el liner en condición de
falla.
Fuente: Orinoco Iron
Figura N° 14: Seccionamiento de las zonas de los liners
Fuente: El Autor
Con las muestras seleccionadas se procede a cortarlas a un tamaño
adecuado ( 3x2) cm, haciendo uso de refrigerante para evitar que se
calienten y presenten cambios en su microestructura. A continuación se
presenta la distribución de las muestras del liner deformado para la
realización de los ensayos planteados anteriormente en los objetivos.
52
Figura N° 15: Distribución de las probetas del liner deformado para los
diferentes ensayos.
Figura N° 16: Máquina cortadora marca Delta.
Fuente: El autor
3.2.4 Análisis Metalográfico
Para iniciar la preparación metalográfica se debe seleccionar la superficie
transversal y longitudinal más adecuada es decir aquella que presente menor
desnivel, una vez elegida se comienza con el desbaste grueso, para ello se
utilizan discos abrasivos de grano (60, 120, 180) y agua como refrigerante
Liner deformado
53
para disminuir el calentamiento en las muestras debido a la fricción
producida.
Posteriormente se aplica el desbaste fino con cuatro tipos de lijas de las
siguientes granulometrías: (240, 320, 400, 600, 2400). La finalidad es
eliminar o remover cualquier tipo de imperfecciones presentes en la
superficie tales como rayas, picos o desniveles.
El procedimiento consiste en hacer pasar la superficie de la probeta por el
papel abrasivo de menor granulometría en un solo sentido por un periodo
aproximado de 5 min, luego aplicando un giro de 90° se pasa al siguiente
papel abrasivo repitiendo el procedimiento con las lijas restantes hasta lograr
un afino de las rayas.
Después de obtener una pieza lo suficientemente lisa se le realiza un
pulido grueso, utilizando un disco giratorio que consta de un paño de fieltro,
una solución de alúmina de 1 micrón y agua, la probeta se gira en sentido
contrario al giro del disco mojando el paño tanto con agua como con alúmina.
Seguidamente se debe efectuar un pulido fino cambiando el fieltro por
terciopelo y la alúmina a 0,05 micras, obteniendo en este paso una pieza
con una superficie especular.
Para realizar el ataque químico la sección transversal de la probeta
previamente pulida se lava con agua, luego se humedece con alcohol y se
seca con aire caliente. Rápidamente se sumerge la superficie pulida en un
vidrio de reloj que contiene el reactivo Gliceregia por un tiempo aproximado
de 2 minutos. A continuación la superficie atacada se impregna con alcohol
nuevamente y para finalizar es secada con aire caliente garantizando que no
queden manchas de agua.
54
Haciendo uso del microscopio óptico se toman imágenes de la pieza en la
sección longitudinal (para determinar inclusiones presentes) según las
normas ASTM E-45 y ASTM E-112 y en la sección transversal (para observar
la microestructura) a diferentes campos y distintos aumentos.
Figura N° 17: Muestras pulidas
Fuente: El autor
3.2.5 Ensayo de Dureza
Una vez seleccionada la muestra para el ensayo de dureza se
estandarizó el durómetro a una escala de HRB. Al colocar la probeta, se
ajustaron tanto las agujas del durómetro, como la altura del punzómetro de
manera tal, que ésta hiciera contacto con la superficie de la pieza, iniciando
así la indentación de la misma con una esfera de acero y una carga de 100
Kg, siguiendo los pasos establecidos en la norma ASTM E-18.
55
El objetivo es registrar la magnitud de dureza obtenida para la pieza, cabe
destacar que a la muestra se le realizaron alrededor de cuatro incisiones, con
el fin de obtener un valor promedio más cercano a la realidad que permitiera
comparar los resultados con una tabla de dureza suministrada por la
empresa fabricante de la aleación Sandvik.
Figura N° 18: Durómetro
3.2.6 Microscopía electrónica de barrido
Las muestras usadas en el análisis metalográfico se trasladan a
Fundacite Bolívar para la ejecución de la microscopía electrónica, atendido
por personal calificado para tal fin. El procedimiento consiste en aplicar un
barrido en la superficie indicada utilizando un sistema de emisión de campo a
través de un haz de electrones que atraviesan la probeta de tal forma que la
muestra se refleje en una pantalla fluorescente y pueda ser observado por el
ojo humano. Se obtienen imágenes con alta resolución y brillo que permitan
detectar alguna fase presente que de indicio a un posible mecanismo de
falla.
56
De igual forma se realiza un microanálisis químico elemental con EDX
puntual, el cual tiene como finalidad determinar la composición química de
ciertos elementos presentes en la microestructura.
3.2.7 Análisis químico
La muestra de la zona cercana a la falla usada en el ensayo de dureza se
envió para Fundiciones Lanz para la realización de análisis químico por
espectrometría de emisión óptica (o de chispa), este tipo de análisis permite
determinar los elementos presentes en una muestra así como el porcentaje
de cada uno de ellos. El método consiste en detectar las longitudes de onda
característica de cada elemento cuando sus electrones son excitados
mediante una chispa, para ello trabajan con un equipo fijo de la marca
SPECTROLAB. El estándar más popular para este tipo de análisis en
materiales metálicos es el ASTM-E415, considerándose el método más
exacto.
Por medio de este análisis se podrá determinar
la composición química de la aleación de estudio y verificar si corresponde
con la de Incoloy 800HT.
3.3 Materiales y equipos necesarios
3.3.1 Equipos
Máquina cortadora marca Delta, con uso de refrigerante.
Equipo multifuncional para desbaste grueso, desbaste fino, pulido
grueso y pulido fino Buehler Metaserv 2000.
57
Microscopio Óptico instalado en el Laboratorio de Investigación y
Corrosión de la UNEXPO, marca Nikon Eclipse y modelo TS100.
Analizador de imágenes marca LECO modelo IA-32.
Secador de cabello marca Conair
Durómetro marca Wolpert, modelo Testor HT 2003, instalado en el
Centro de soldadura y Ensayos Mecánicos de la UNEXPO.
Microscopio electrónico de barrido modelo Quanta 600, marca Phillips
instalado en Fundacite.
Spectrolab ubicado en el laboratorio de Fundiciones Lanz.
Cámara fotográfica digital marca SONY para realizar registros de las
condiciones iniciales y durante el desarrollo de la investigación.
3.3.2 Materiales e insumos
Alúmina de grano grueso (1 micrón).
Alúmina de grano fino (0.05 micrones).
Discos de lija 8”, grano 60, 120, 180, 240, 320 400, 600, 2400. Para
desbaste grueso y fino.
Paños de fieltro y terciopelo para pulido grueso y fino respectivamente.
Cinta métrica.
Alcohol Isopropílico.
Gliceregia (60% HCl, 20% HNO3, 40% glicerol).
Vidrio de reloj.
3.4 Tipos de análisis a realizar
La investigación que se desarrolla es descriptiva porque se trabaja con
hechos reales enfocándose en lograr un correcto análisis e interpretación de
las diferentes actividades que se realizan para la determinación del
58
mecanismo de falla que presentó el liner del bajante de descarga de mineral
del reactor R10.
El registro y análisis de dichas actividades facilitan la obtención de las
conclusiones finales y las recomendaciones que pueden provocar mejoras de
las condiciones estudiadas.
Con mucha frecuencia, el propósito del investigador consiste en describir
situaciones, eventos y hechos. Esto es, decir cómo es y cómo se manifiesta
determinado fenómeno. De acuerdo con la perspectiva mencionada,
Tamayo y Tamayo (1997), señalan que:
La investigación descriptiva comprende la descripción, registro,
análisis e interpretación de la naturaleza actual, y la composición o proceso de los fenómenos. El enfoque se hace sobre conclusiones dominantes o sobre como una persona, grupo o cosa se conduce o funciona en el presente.
59
CAPÍTULO IV
RESULTADOS
4.1 Revisión de las condiciones operativas especificadas en el diseño
original del equipo.
A continuación, se describen las condiciones de diseño del equipo
Tabla N° 2: Variables de diseño de los liners
Es importante destacar, que al momento de revisar los planos de diseño
(VAI) de dichos liners se especifica que el material que debe utilizarse para
su fabricación es el acero inoxidable ASTM A312 TP 316L, el cual ofrece
debido a su contenido de molibdeno un mejor comportamiento a elevadas
temperaturas. Sin embargo, al revisar los planos de fabricación Hyundai, se
indica que el material para la fabricación de los liners es el ASTM A312 TP
304H que ha sido utilizado en la empresa desde sus inicios.
Especificaciones de diseño del liner del spare riser
Longitud
(m)
Diámetro
(m)
Espesor
(m) Material
Temperatura
(°C)
Presión
(bar)
2 0,14 0,012 316L 860°C 16,2
60
4.2 Comparación de las condiciones operativas reales con las
especificadas en el diseño.
Con el objeto de evaluar una nueva metalurgia para la fabricación de los
liners, se propuso la aleación Incoloy 800HT (Sandvik Sanicro 31HT) la cual
fue instalada durante la parada Nº25 del tren 1 en el bajante del spare riser.
Dicha aleación, se sometió a prueba durante la corrida Nº26 por un
período de tiempo de 92 días, desde el 11/12/2007 al 12/03/2008. De los
cuales estuvo operando 49 días empleando el liner del bajante del spare riser
para descargar mineral, desde el 21/01/2008 al 10/03/2008. Las condiciones
de operación a las cuales fue expuesto se describen a continuación:
Gráfica N° 1: Comportamiento de la temperatura durante el tiempo de
operación.
La gráfica anterior permite representar las temperaturas de operación a
las que estuvo expuesto el liner, indicando que el rango aceptable de
temperaturas es de (760°C - 800°C), sin embargo se observan fluctuaciones
61
significativas tanto por encima como por debajo de los límites establecidos.
Entre los valores atípicos se encuentra el de 701,03°C y el de 809,84°C. Al
consultar los reportes de operaciones se pudo corroborar que esas
variaciones se deben a que el reactor en este período fue expuesto a
condición de gas inerte debido a problemas internos en el reactor como
obstrucción de alguno de los bajantes, dificultades de las válvulas para ciclar,
y pérdida de transferencia en bajantes inter-reactores.
Cuando el reactor pasa a condiciones de gas inerte, hay un cambio
completo y gradual de todas las variables de operación: se disminuye la
presión encontrándose valores hasta 5bar como se observa en la gráfica 2,
se baja la velocidad de fluidización, se disminuye la temperatura para evitar
desfluidización del lecho y por supuesto se cambia el gas de reductor a
inerte, todo esto ocurre de manera gradual, a menos que sea una
emergencia y la transición es mucho más rápida.
En lo que se refiere a la presión interna al igual que la temperatura,
disminuye de manera progresiva; en la gráfica 2 se representa la presión
reconocida para los valores atípicos de temperatura registrados en condición
de gas inerte durante la corrida N°26.
62
Gráfica N° 2: Presión durante condición de gas inerte de la corrida N°26
4.2.1 Composición química del gas de purga
Tabla N° 3: Composición típica del gas de purga
Composición del gas de purga (%)
H2 CO2 O2
87 11 2
Los bajantes, poseen “purgas” cuya función es evitar obstrucción y
facilitar la fluidización y transferencia de los finos en el mismo. Existe una
purga continua de 13 bar y eventualmente de 50bar en caso de
obstrucciones graves, dicha purga al incidir en el liner con un ángulo
aproximado de 50° y temperatura ambiente genera un evidente choque
térmico. Los principales componentes del gas de purga en operación son
descritos en la tabla N° 3.
Todas las variables de operación se encuentran dentro de las
especificaciones de diseño, sin embargo en ocasiones la temperatura y
63
presión presentan valores que difieren del rango establecido debido a la
condición de gas inerte, pero que no influyen de forma significativa sobre la
falla de los liners.
4.3 Caracterización de la aleación Incoloy 800HT en condición de falla,
mediante ensayo mecánico de dureza, análisis metalográfico,
microscopía electrónica de barrido y análisis químico.
Se evaluó microestructuralmente la aleación Incoloy 800HT mediante la
observación microscópica del liner, a fin de identificar cualquier cambio o
variaciones que puedan haber ocurrido en el mismo luego de haber sido
sometido a esfuerzos mecánicos, como es el caso de la vibración producida,
tanto por el mineral reducido al circular por el bajante, como por las
constantes purgas a temperatura ambiente, además de cambios bruscos de
presión y temperatura.
4.3.1 Análisis Metalográfico
4.3.1.1 Fotomicrografías lejos de la zona de falla
a) Fotomicrografía para observar presencia
de maclas. Atacada con Marble a 50X.
b) Fotomicrografía para evaluar tamaño de
grano, atacada con Marble a 100X.
64
c) Presencia de precipitados. Atacada
con Marble a 200X.
d) Fotomicrografía para evaluar el nivel de
inclusiones. Sin ataque.100X
Figura N° 19: Fotomicrografías obtenidas por microscopía óptica. Liner del
spare riser lejos de la zona de falla.
En la figura (19a) se observa la presencia leve de maclas que se
identifican microestructuralmente como subgranos estrechos con bordes
bastante rectilíneos y paralelos que dividen el grano inicial, dichas maclas
aparecen debido a la deformación incipiente que presentó esa zona del liner.
La figura (19b) se utilizó para la determinación de tamaño de grano, según la
norma ASTM E-112, el resultado es de 3-4, presentando un leve crecimiento
de grano debido a la exposición del liner a elevadas temperaturas, sin
embargo este crecimiento no influye en la falla del liner. En la figura (19c) se
evidencian precipitados dispersos, haciendo prácticamente imposible la
determinación del nivel de inclusiones como se observa en la figura (19d),
debido a que resultó difícil diferenciarlas de la cantidad de precipitados
presentes en la microestructura, existiendo la posibilidad de conseguir un
resultado distinto al verdadero.
65
4.3.1.2 Fotomicrografías de la zona deformada
a) Se destaca la presencia de maclas.
Atacada con Gliceregia a 50X.
b) Precipitados alineados. Muestra
atacada con Gliceregia a 500X.
c) Elevada presencia de precipitados
aciculares. Muestra atacada con
Gliceregia a 50X.
d) Precipitados cercanos e los bordes de
grano. Muestra atacada con Gliceregia a
500X.
Figura N° 20: Fotomicrografías obtenidas por microscopia óptica. Zona
deformada del liner del spare riser
66
Al observar las fotomicrografías de la zona deformada se consideran
diferencias significativas en comparación con la que están lejos de la zona de
falla, entre ellas se hace énfasis en la presencia más pronunciada de las
maclas, que son evidencia de deformación en materiales. La única zona
deformada del liner es la frontal a la purga por lo que se presume que la
deformación es causada tanto por el esfuerzo bien sea por presiones a 13 y
50 bar, como por el choque térmico que produce la purga a incidir a
temperatura ambiente.
Teóricamente, se ha comprobado que los centros de nucleación para
maclaje son posiciones de tensiones muy localizadas en la red, lo que
significa que las maclas se forman solamente en aleaciones que han sufrido
deformación.
Otra diferencia es la elevada presencia de precipitados de forma acicular
distribuidos de forma alineada en la matriz, estos precipitados son de
morfologías distintas tal como se observa en la figura 20b y 20d.
Sin embargo, es necesario conocer la composición de dichos precipitados
para evaluar si su aparición es perjudicial o si de lo contario pertenecen a
elementos estabilizadores cuya función principal es endurecer el material y
anclar las dislocaciones para impedir su deslizamiento.
4.3.2 Ensayo de Dureza
Los resultados del ensayo de dureza aplicado a la muestra cercana a la
falla se muestran en la tabla 4:
67
Tabla N° 4: Dureza promedio de la zona deformada del liner del spare
riser y de la hoja de datos suministrada por Sandvik
Material (Incoloy 800HT)
Dureza (HRB) “Zona deformada”
Dureza (HRB) “Diseño”
90
90
92 92 92
91
Valor Promedio 91,4
El valor promedio obtenido experimentalmente es cercano al valor de
diseño manifestando que el liner cumple con las especificaciones del acero
Incoloy 800HT establecido en la hoja de diseño tal como se indica en la tabla
4 donde se puede observar que el valor máximo de dureza aceptable es de
90 HRB.
Sin embargo, es evidente el aumento del valor de dureza el cual se
atribuye entre otras causas a la deformación plástica sufrida por el liner a
elevadas temperaturas que trae como consecuencia la presencia de maclas
y por lo tanto el incremento del endurecimiento, ya que dividen en partes la
dimensión de los granos, creando subgranos como se observa en la
microestructura, que bloquean las dislocaciones con la siguiente inhibición
del deslizamiento dificultando el movimiento de bordes de grano por la
resistencia a la compresión que impone la macla cuando el grano tiende a
estirarse.
Así mismo, se conoce que las superaleaciones como Incoloy 800HT
contienen pequeñas cantidades de carbono, que al combinarse con otros
elementos aleantes como el titanio produce una red de finas partículas de
68
carburo muy estables. En este caso se aprecia la presencia de carburo de
titanio (TiC), el cual posee una extraordinaria dureza.
4.3.3 Microscopía electrónica de barrido de la zona lejana a la falla
Figura N° 21: Fotografías de la zona alejada de falla, presencia de
precipitados cercanos a los límites de grano.
a
69
Figura N° 22: EDX de la zona alejada de falla, a) se indica la presencia
dispersa de carburo de Cromo; b) presencia de carburo de Titanio
En la figura 22 se puede observar la existencia de carburos de titanio; el
titanio es adicionado como elemento estabilizador en la aleación Incoloy
800HT, lo cual es de esperarse, ya que su función consiste en inhibir la
formación de carburo de cromo debido al hecho de que tiene una afinidad
mayor por el carbono que aquella que tiene el cromo. Así, se precipita
carburo de titanio a temperaturas mayores de los 600 °C y el cromo
permanece en solución sólida. Es por esta razón que se observa mayor
cantidad de precipitados de titanio que de cromo.
Los precipitados de cromo tienden a ubicarse en las zonas cercanas a los
bordes de grano y no de forma dispersa en la matriz, tal como se observa en
la figura 21. Estos carburos son perjudiciales cuando coalescen y se
localizan en los límites de grano originando corrosión intergranular y por lo
tanto pérdidas en la resistencia del material que desintegran los bordes de
los granos, sin embargo en nuestro caso los carburos de cromo están en
b
70
zonas adyacentes a los límites de grano pero no se observa discontinuidad
de los bordes.
4.3.4 Microscopía electrónica de barrido de la zona cercana a la
falla
Figura N° 23: EDX de la zona cercana a la falla, a) se indica la presencia de
carburo de cromo; b) presencia de carburo de titanio
a
b
71
Figura N° 24: Distribución alineada de carburos
Al igual que la muestra lejana a la falla, existen carburos de cromo y
titanio pero esta vez distribuidos de forma alineada, además el tamaño de
dichos precipitados es mayor y de distintas morfologías tal como se observa
en la figura N° 24.
4.3.5 Análisis Químico
Tabla N° 5: Composición química de la aleación en servicio, realizada
por la empresa Fundiciones Lanz
Elemento (%) Muestra en servicio Muestra del fabricante
C 0,100 0,07
Si 0,357 0,6
Mn 0,386 0,6
S 0,012 0,015
P 0,005 0,015
Cr 18,07 20,5
Ni 35,64 30,5
Mo 0,105 0,10
Cu 0,060 0,060
Ti 0,493 0,50
Fe 44,00 bal
Al - 0,5
72
En la tabla 5 se muestra el resultado del análisis químico realizado a la
muestra de Incoloy 800HT, donde se puede observar que la mayoría de los
elementos se encuentran en los porcentajes similares a los especificados por
el fabricante, sin embargo se evidencia la ausencia de aluminio, esta
aleación debe contener 0,5% de aluminio.
Para la aleación Incoloy 800HT es necesario el contenido de aluminio y
titanio, la función del aluminio es formar después de los 600°C un compuesto
intermetálico con el níquel para dar lugar a la precipitación de la fase gamma
prima cuya fórmula estequiométrica es Ni3Al. Su función es anclar las
dislocaciones para lograr una mayor resistencia a la deformación y ser más
rígidas que una aleación convencional.
Debido a que la aleación no posee aluminio, en las metalografías de las
muestras estudiadas no se observa la precipitación de la fase gamma prima
lo que permite afirmar que la aleación Incoloy 800HT a la temperatura de
servicio no ofreció dificultades para el desplazamiento de las dislocaciones
en su interior presentando mayor facilidad de deformarse.
4.4 Determinación del mecanismo de falla del liner fabricado en
Incoloy 800HT.
De acuerdo a lo evidenciado anteriormente, se presume que el
mecanismo de falla que experimentó la aleación Incoloy 800HT fue por
sobreesfuerzos y choque térmico generados por la incidencia de la purga a
13 bar y en ocasiones a 50 bar a temperatura ambiente. La deformación
plástica únicamente se presentó en la zona frontal al agujero de purga y se
evidencia a nivel de microestructural por la presencia de maclas las cuales
aparecen debido a esfuerzos aplicados nucleando en los concentradores de
esfuerzos, como se observa en las microestructuras de la zona deformada,
73
en las cuales se registran maclas dentro de un mismo grano seccionándolo
en granos más pequeños, la deformación asociada es tal que produce
esfuerzos locales elevados induciendo a un nuevo deslizamiento, y en el
caso de llegar al límite de grano, puede inducir maclado en granos vecinos.
La deformación plástica también se le atribuye al constante choque
térmico generado por la purga, ya que mientras el reactor está a 800°C, el
gas de purga incide totalmente a temperatura ambiente, esto causa la
distorsión de la microestructura del material, ya que por una parte el material
tiende a expandirse por estar expuesto a elevadas temperaturas, y por otra
tiende a contraerse debido la incidencia de la purga a temperatura ambiente
en esa zona, tal como lo evidencian las fotomicrografías suministradas con
granos irregulares debido a la presencia de maclas.
La microestructura de la zona lejana a la falla sólo experimentó un leve
crecimiento de grano originado por la exposición a elevadas temperaturas
durante el tiempo de servicio, además de la precipitación de carburos de
cromo y titanio de forma alineada en la matriz, sin orientación preferencial a
los bordes de grano, esta precipitación de carburos de cromo no es
perjudicial porque no se ubican en los límites de grano sino distribuidos de
forma alineada en la matriz, la precipitación de los carburos de titanio como
elemento estabilizador es necesaria para evitar en lo posible la formación de
carburo de cromo, debido al hecho de que el titanio tiene una afinidad mayor
por el carbono que aquella que tiene el cromo.
74
CONCLUSIONES
De la revisión de las condiciones operativas especificadas en el diseño
original del equipo, se encontró que actualmente se fabrica el liner de
los bajantes en acero inoxidable estándar AISI 304H (Hyundai),
cuando se debería fabricar en AISI 316L, el cual es un acero
inoxidable austenítico aleado en molibdeno para darle mejor
resistencia a elevadas temperaturas.
Las condiciones operativas actuales no difieren de forma relevante
respecto a los especificados en el diseño original del equipo, sobre
todo en cuanto a flujo y composición de gases. Con respecto a la
presión y temperatura, éstas difieren puntualmente cuando existe la
condición de gas inerte, aunque se presume que esta variación no
posee incidencia alguna en la falla del liner.
La caracterización de la zona alejada de la falla reveló que
químicamente se trata de una muestra de Incoloy 800HT, aunque sin
aluminio, metalográficamente se halló un leve crecimiento de grano,
aparición de maclaje y mediante MEB y EDX se observaron
precipitados de carburo de cromo y titanio, todas estas condiciones
consideradas normales, causadas por las condiciones de operación.
En la zona cercana a la falla, metalográficamente se evidenció
maclado acentuado generado por deformación plástica y tamaños de
grano muy irregulares, presuntamente causado por el choque térmico
localizado de la zona. Mediante MEB y EDX se determinaron
precipitados de carburos de cromo y titanio, pero sin detectarse los
gamma prima (Ni3Al), cuya función es anclar dislocaciones y evitar
75
deformación plástica. La ausencia de estos precipitados se debe a la
ausencia de aluminio en el material, lo cual fue revelado por el análisis
químico realizado.
El mecanismo de falla del liner de Incoloy 800HT instalado en el
bajante del spare riser del reactor 10 en T1, fue sobreesfuerzos y
choque térmico causado por la incidencia del gas de purga el cual se
encuentra a temperatura ambiente a 13 bar y en ocasiones a 50 bar,
lo que origina la deformación crítica del liner y por ende su reemplazo.
76
RECOMENDACIONES
Realizar un estudio sobre el efecto de la purga, en cuanto a ángulo de
incidencia, temperatura y esfuerzos sobre la integridad mecánica del liner.
Evaluar cual debe ser el mínimo espesor de pared del liner requerido para
soportar los esfuerzos y choque térmico originado por la purga, en base a
una metalurgia especial para trabajar a elevadas temperaturas (316, 309,
Incoloy 800HT, etc.)
Realizar pruebas a nivel de laboratorio simulando condiciones de servicio
en función de la temperatura para evidenciar la influencia del choque
térmico sobre el material.
77
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Disponible en: http://ibhnet/defaultdoc.aspx.
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reactores. Puerto Ordaz (Venezuela).
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Disponible en: http://www.orinoco-iron.com/oi/html/es_product.htm.
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bajantes de descarga de mineral del reactor R10 de la empresa Orinoco
Iron® S.C.S; “Informe de Práctica Profesional” Puerto Ordaz
(Venezuela). Universidad Experimental Politécnica Antonio José de
Sucre. Pág. 30.
(5) VALERY, M. Y OTROS. (2007). The Orinoco Iron FINMET® Plant
Operation. [Documento en línea]. Disponible en:
http://www.hbia.org/pdf/StahlEisen.pdf. [15 de Diciembre de 2007].
(6) SEQUEIRO, A. (2006). Superaleaciones de níquel.
(7) AVNER, (1974). “Introducción a la Metalurgia Física”
