Mas que un simple contratista comprometido en hacer consistentemente un trabajo

de alta calidad, Arnway Ltd se considera un estable y confiable socio a quien sus clientes recurren para la solucin de problemas tcnicos y soporte continuo. La produccin de cemento crea un ambiente exigente para todo el equipo. Las fallas son muy costosas debido a los volmenes de produccin que se logran en las plantas modernas. La fractura de una llanta de horno es un ejemplo crtico del impacto que puede tener una de estas fallas en tiempo muerto de produccin y disponibilidad de producto para vender.

En la industria cementera, los ingenieros de planta tienen diferentes puntos de vista sobre la posibilidad de soldar exitosamente las llantas del horno. El grado del acero, desde el punto de vista metalrgico no es de una importancia significativa como lo es la experiencia y la habilidad en soldadura. Arnway Ltd, a travs de su asociacin con The Welding Institute (TWI) y el fabricante de consumibles especializados EUTECIC+CASTOLIN, son uno de los lideres en este tipo de reparaciones alrededor del mundo. Este artculo se concentra en

una de las mayores reparaciones por soldadura que enfrentan las compaas cementeras. Arnway Ltd ha desarrollado un procedimiento altamente exitoso con la cercana asesora de su proveedor de consumibles EUTECTIC + CASTOLIN, as como los colegas de TWI y FLS Parts and Service Division. El autor se propone discutir la teora detrs del procedimiento, seguida por algunos casos de estudio que ilustrarn las ventajas de utilizar este mtodo especializado.

Causas de Falla Los hornos de Cemento estn expuestos a una serie de esfuerzos dinmicos tales como flexin alternativa, tensin, compresin, torsin, y ciclos trmicos. Debido a la alta tasa de acumulacin de fatiga estos esfuerzos pueden eventualmente resultar en fisuras que se forman inicialmente bajo la superficie. El mecanismo de fractura es el de la fatiga y se propagar tpicamente desde los puntos dbiles del material original tales como inclusiones en la fundicin cercanas a la posicin original de las masarotas. Debido al gran trabajo en fro, y el consecuente endurecimiento de la superficie de la llanta con su asociado incremento en resistencia, la fisura tender a propagarse por debajo de la superficie, sin ser detectada por el Ingeniero de mantenimiento, hasta que su seccin transversal es suficientemente grande para debilitar la llanta al punto de permitir la ocurrencia de una falla grave. Una fisura tpica es mostrada en la Fig. 1, mientras que el defecto iniciador, una inclusin en la fundicin, es mostrado en la Fig. 2.

Material Base La especificacin del material para las llantas del horno es generalmente una composicin de baja aleacin, con carbn alrededor de 0.3% tpicamente. Hay variaciones en la especificacin exacta dependiendo del fabricante original, sin embargo, el grado ms comn para las secciones de llantas de horno es el BS3100. Se deben tener en cuenta las propiedades mecnicas de este material, ya que es imperativo que un consumible de alta calidad con caractersticas superiores sea recomendado y aplicado.

Fig.3 Soldadura con Nucleotec 2222 La especificacin tpica es: Composicin

Fundicin Acero BS3100 A5

C 0.25-0.33 Si 0.60 Mn 1.2-1.6 P 0.05 S 0.05

Traduccin de articulo de INTERNATIONAL CEMENT REVIEW

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CEMENT TECHNOLOGYCEMTEC 06

Welding Kiln TiresREPARACIONES POR SOLDADURA CONSISTENTEMENTE EXITOSAS EN LLANTAS DE HORNO FRACTURADAS Y ROTAS

Por Steve Leake, Arnway Ltd

Fig. 1 Fisura Tpica

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Consideraciones de Procedimiento Hay dos rutas posibles para el procedimiento de soldadura: el uso de una aleacin similar ferrtica, o el uso de una aleacin dismil no ferrtica. La ruta ferrtica (Bajo Hidrgeno Por ejem. E-7018) sera la preferida desde el punto de vista qumico, ya que el consumible ser muy parecido al material base. Sin embargo, debido a la endurecibilidad por enfriamiento al aire de los volmenes de soldadura encontrados, los requerimientos de precalentamiento son especialmente altos generando problemas procedimentales y de naturaleza prctica, adems el tratamiento trmico post soldadura (PWHT) se vuelve mandatorio. Los problemas del PWHT en una seccin de esta magnitud son aquellos de la cantidad de calor requerida por la magnitud de la masa y las graves perdidas por conduccin. Sin embargo es de mucho mayor inters para el metalurgista el problema de ablandamiento en el rea de soldadura de la superficie endurecida por trabajo mecnico y el resultante cambio brusco de dureza en cada extremo de la zona calentada, creando preocupacin de la suceptibilidad de fisuracin en estos puntos. En la ruta de las aleaciones no ferrticas, una de ellas ha sido aceptada como la ms confiable, teniendo la aprobacin de los principales Fabricantes de Equipo original (Original Equipment Manufacturers OEM). El procedimiento utiliza un consumible a base de Nquel, y sin lugar a dudas el ms frecuentemente usado y el ms familiar es el manufacturado por EUTECTIC + CASTOLIN, ver Fig. 3, el cual se llama NUCLEOTEC 2222. Las ventajas de este procedimiento son que el precalentamiento es ms fcilmente lograble y que no hay necesidad de PWHT siempre y cuando se hayan adherido rgidamente ciertos procedimientos durante la operacin de soldadura. El comportamiento de estos productos en relacin con la resistencia a la tensin, y particularmente a la ductilidad, an sin PWHT, es mucho mejor que el del material base, y aunado con la buena integridad metalrgica en la inter fase metal base, metal de

Fundicin Acero Propiedades Mec.

BS3100 A5

Res. Tens N/mm2 620-770 Res Elst N/mm2 370 Elongacin % 13% Dureza (HB) 179-229 Res. Impacto (J) 25 @20C Nota: valores esp.

+ 100 mm soldadura, ms una ejecucin experta, producen las reparaciones de mxima Confiabilidad posible. La preocupacin por la degradacin del endurecimiento superficial, es evitada tambin. Naturalmente, debido al alto contenido de Nquel, hay una desventaja econmica, pero considerando la confiabilidad de la reparacin y los ahorros del tiempo de parada involucrados, esta consideracin no es de importancia prctica. Recomendacin del Electrodo La soldadura dismil de la fundicin de las llantas del horno demanda una formulacin del electrodo que provea una combinacin optima de resistencia y ductilidad capaz de soportar las severas condiciones de trabajo. La seleccin del consumible es crtica para una reparacin exitosa de larga duracin. Hay un nmero de factores fsicos y metalrgicos que se deben considerar: Coeficiente de expansin

trmica lineal.

Los efectos de la dilucin. Precipitacin de fases

frgiles. El grado y la estructura de las fundiciones de acero sometidas a altas temperaturas requieren un electrodo de soldadura dismil capaz de satisfacer estos criterios. Coeficiente linear de expansin trmica Materiales diferentes expanden y contraen a tasas diferentes durante el proceso de soldadura. Por ejemplo, una aleacin de soldadura de acero inoxidable siempre expandir y contraer significativamente ms que el material base de acero al carbn. Esto aumentar los esfuerzos residuales distorsionando por lo tanto la junta. El siguiente grfico muestra claramente la importancia de seleccionar un electrodo con un coeficiente de expansin trmica similar. El Nucleotec 2222 tiene bsicamente el mismo del acero al carbn en un amplio rango de temperaturas y por lo tanto se generarn solo esfuerzos residuales mnimos en la junta, tanto durante la soldadura en s como en los ciclos trmicos posteriores. En servicio esto se traduce en un mximo margen de seguridad contra posibles iniciaciones de fisuras.

Propiedades Mecnicas

Fundicin de Acero

BS3100 A5

Electrodo Recomendado

Eutectic Nucleotec 2222 Resistencia Tensin N/mm2 620-770 650-690 Resistencia Elstica N/mm2 370 390 Elongacin 13% 40-45% Dureza (HB) 179-229 170-210 Resistencia Impacto (J) 25 @ 20C 25 @ 20C

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Los efectos de la Dilucin La dilucin es a menudo expresada como un porcentaje del metal base que ingresa al depsito de soldadura. Una herramienta comn para predecir el contenido de ferrita es el diagrama de Shaeffler. Este nos permite predecir que tipo de estructura estar presente y por lo tanto nos ayuda en la correcta seleccin de los electrodos de soldadura. Cuando un acero inoxidable convencional es usado para soldar aceros al carbn, el metal de soldadura diluir inevitablemente el metal base por lo menos en un 20-30%. Esto nos forma un metal de soldadura susceptible de endurecerse por la presencia de martensita. El Nucleotec 2222 tiene una tolerancia de dilucin de hasta 50% lo cual significa que la soldadura es capaz de disolver una gran cantidad de acero manteniendo an su estructura austentica tenaz que le es caracterstica. Precipitacin de fases Frgiles La formacin indeseada de fases duras y frgiles, como la Sigma, que es un intermetlico hierro-cromo, puede ocurrir cuando soldamos secciones gruesas de acero al carbono, con electrodos de acero inoxidable en particular con los populares tipos AWS E309 o 310 usualmente usados para las uniones dismiles que contengan hierro y cromo en altas cantidades. La precipitacin de la fase Sigma es muy dependiente de la dinmica de tiempo y

temperatura, formndose en pocos minutos a 900C y despus de varios das a 500C. Es importante ser consciente que estas temperaturas son alcanzadas varias veces por cada soldadura durante el proceso de reparacin independientemente de las condiciones de servicio a que sern sometidas posteriormente. En el diagrama ternario a la derecha resalta la importancia de evitar claramente la zona de precipitacin de la fase Sigma. Se puede observar que tanto el 309 como el 310 sin diluir estn en la frontera de la zona de la fase Sigma y cuando son diluidos naturalmente por la soldadura la junta se vuelve an ms sensitiva a la formacin de la fase Sigma. El Nucleotec 2222 an diluido no podr alcanzar la zona de fase Sigma y es por lo tanto resistente a la fragilizacin.

Electrodo Eutectic Nucleotec 2222 El cuadro de propiedades mecnicas resalta las mayores ventajas de la correcta seleccin del electrodo. Hay una clara similitud y paridad para la resistencia a la tensin y la resistencia elstica con el material base. La mayor ventaja y la diferencia ms significativa es la elongacin la cual es casi cuadruplicada. Esto provee soldaduras tenaces y dctiles que son resistentes a la formacin de fisuras. La baja dureza superficial inicial de la soldadura es rpidamente incrementada durante el servicio por el efecto de endurecimiento por trabajo. Los excepcionalmente estables valores de resistencia al impacto proveen una absoluta seguridad contra impactos accidentales o riesgos de fragilizacin en un amplio rango de temperaturas. En cuanto al calentamiento nuestra compaa posee capacidad propia en casa para distribucin de energa de 540KVA con la cual se pueden controlar por medio de microprocesador hasta 12 zonas de calentamiento. Esto permite elevar, mantener o bajar la temperatura en una reparacin grande tanto simultneamente para el alivio de tensiones como independientemente, cuando se deben compensar perdidas durante el precalentamiento. La compaa tambin lleva a cabo el mecanizado

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in-situ como parte del contrato. ARNWAY LTD esta siempre buscando mtodos para disminuir el costo y el tiempo de estas reparaciones, haciendo la reparacin ms atractiva para los usuarios de hornos y molinos. Nosotros mantenemos un paquete standard de equipo listo para volar o viajar a cualquier sitio, el cual incluye el sistema elctrico total de precalentamiento y alivio de tensiones, equipo de chaflanado y de soldadura y todo el equipo adicional requerido por el proceso. __________________________________ Para informacin adicional, ARNWAY LTD puede ser contactada en Gran Bretaa por fax: (44) 1925 220 865 Diagrama de Schaeffler Modificado para incluir el depsito del Nucleotec 2222

Escenarios Tpicos de

Reparacin Caso de estudio 1 Este caso involucra una llanta slida y fue realizado en cooperacin con FL Smidth. La reparacin consisti en un defecto a travs de todo el espesor de 350mm de la llanta y a todo el ancho de 650mm en un horno con 14 aos de uso. Arnway Ltd fue contactada inicialmente a las 8:15 a.m., y estaba en ruta a las 14:00 el mismo da. Despus de viajar durante la noche a la planta, el equipo fue instalado durante la maana, y la labor de corte y biselado se inici. Barras y abrazaderas de restriccin fueron instaladas para evitar el movimiento relativo de las dos mitades durante el biselado y la soldadura como se ve en la Fig. 4. Con la permanente asesora del ingeniero del fabricante original del equipo (OEM) delegado en la planta, se logro una apreciable reduccin en el volumen de soldadura a aplicar con el cuidadoso diseo del biselado de la junta. El bisel fue totalmente pulido y se hizo Shot Blasting (Granallado Esfrico), se realizo ensayo no destructivo NDT de la superficie y se prepar todo para iniciar el soldeo. Esto consisti en colocar una barra de cobre de respaldo bajo la llanta y las platinas de entrada (run-on) y de salida (run-off) de los cordones de soldadura en cada extremo, ver Fig. 5, lo cual asegura que todos los inicios y terminaciones de los cordones quedan por fuera del cuerpo de la reparacin una vez se de el acabado final. El siguiente paso fue instalar el equipo de precalentamiento. Este es una disponibilidad propia de Arnway Ltd y significa que la instalacin y cualquier reposicionamiento necesario puede ser llevado a cabo en cualquier momento sin ninguna perdida de tiempo durante el transcurso de la reparacin. Los dos lados de la junta, estando separados totalmente entre s, fueron precalentados y controlados independientemente usando termocuplas tipo K. Esto permiti una tolerancia de +/- 1C a las temperaturas requeridas. Esto es de mxima importancia en la reparacin de llantas totalmente separadas por fisuracin total a todo lo

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lo ancho, ya que cualquier desalineamiento ocasionado por un precalentamiento disparejo en el momento de la unin, crear considerables esfuerzos de cizalladura sobre la soldadura a medida que la llanta enfra despus de ser reparada. Los fracasos pueden y han ocurrido por no seguir este procedimiento estricta y adecuadamente. La junta fue luego soldada, usando un mtodo que permite a dos soldadores trabajar simultneamente, logrando una dramtica reduccin del tiempo consumido en la reparacin. De acuerdo con los representantes del fabricante original del equipo (OEM), nosotros fuimos capaces de ahorrar a la planta tres das en el tiempo de reparacin comparado con una reparacin similar llevada acabo recientemente por otro contratista. El trabajo se termin en siete das incluyendo todo el rectificado necesario despus de la soldadura. Se depositaron 360 Kg de electrodos. Caso de estudio 2 Esta reparacin consista de dos fisuras principales de 750mm de longitud y 450mm de profundidad separadas solamente 1200mm entre s, circunferencialmente sobre la llanta. El OEM estuvo tambin involucrado directamente en la reparacin y las discusiones iniciales indicaron que se requeriran 28 das de soldeo continuo, ms el tiempo requerido para la preparacin y biselado, ms el tiempo de rectificado para el acabado final, esta era la escala de tiempo prevista. De nuevo el mtodo de precalentamiento elctrico fue usado, por las mismas razones de confiabilidad y exactitud como en el caso 1. Estando tan cercanos los dos defectos ellos pudieron ser manejados simultneamente. Otros tres defectos superficiales fueron atendidos despus de haber reparado los dos principales. El tiempo total de reparacin fue de 17 das incluyendo todo el trabajo de rectificado necesario. Los dos defectos principales fueron soldados en 12 das, ahorrando a la planta cerca de 16 das del plan inicial. El total de consumibles suministrado por Eutectic + Castolin fue 950 Kg. Las tres fisuras superficiales pueden verse en la Fig. 6, y nuestra interpretacin del uso eficiente de los soldadores es mostrado en la Fig. 7. Como resultado de un extenso trabajo con la industria cementera, Arnway Ltd ha adquirido y adaptado equipo que es especialmente adecuado para este tipo de trabajos, asimismo cuenta con operarios calificados y experimentados en todos los aspectos prcticos. Por ejemplo normalmente solo requerimos una acometida elctrica para nuestros equipos de soldadura y calentamiento. Esto reduce el tiempo de instalacin. De la misma manera todo el equipo neumtico requiere una nica conexin. Nuestra ltima adquisicin es una rectificadora de llantas, que hemos adaptado, para montarla sobre un marco y moverla a travs de la reparacin, permitiendo un rectificado mucho ms exacto y rpido. Esto ahorra tiempo y genera menores impactos al pasar la llanta por los rodillos.

Fig. 4

Fig. 5

Fig. 7

Fig. 6