Estudio y optimización del proceso de fundición de tubos dúctiles por centrifugación para la reducción del rechazo por porosidad

Abstract

RESUMEN: La industria de las fundiciones ha venido evolucionando constantemente a medida que el mercado y las nuevas tecnologías así lo demandan; en la fabricación de tubos de fundición dúctil por centrifugación se busca producir con la menor cantidad de materiales y energía, los tubos con los más altos estándares de calidad. En Saint Gobain PAM – España se trabaja de forma que permita ser más competitivos y estar siempre a la vanguardia en innovación y fabricación de tubos de fundición dúctil por centrifugación, proceso en el que se combinan movimientos de rotación y traslación para formar el tubo. No obstante, en el proceso de producción es posible encontrar diversos retos a superar dentro de cada Pilar que sostiene la excelencia operacional y la satisfacción del cliente; dentro de estos retos, están los tubos rechazados por alguna imperfección a lo largo de la línea de producción, los cuales son detectados en diversos puntos y métodos de control. En el desarrollo del presente trabajo se realizó un estudio y análisis del proceso de centrifugación desde diversos puntos de vista; combinando la Ciencia de Materiales, con las herramientas de calidad WCM y pruebas en producción que permitieran detectar las fortalezas y debilidades de la operación, y así, poder establecer los factores críticos con sus respectivas correcciones y/o controles. Como primera medida en la caracterización de los tubos, se tiene la composición química realizada por medio del espectrómetro como se indica a continuación: carbono (3,42%), silicio (2,21%), azufre (0,004%), manganeso (0,147%), fósforo (0,053%), cromo (0,126%), magnesio (0,026%), cobre (0,179%), estaño (0,007%), plomo (0,0003%), titanio (0,013%), níquel (0,055%), arsénico (0,0049%), aluminio (0,038%) y vanadio (0,0117%). La anterior composición química sumada al tratamiento térmico permite la formación del grafito esferoidal número 8 con matriz ferrítica vista desde el microscopio óptico. Sin embargo, se detectaron cantidades más altas de silicio en el enchufe (3,35% de Si) y contenidos más cercanos a la medida normal consignada en el cordón (2,18% de Si), esto debido a que el revestimiento (en base ferro – silicio) que se emplea para proteger la coquilla e inocular la colada se aplica de forma diferente en los tres puntos de centrifugación (revestimiento en punta de lanza, revestimiento del brazo e inoculación en el canal de caída); una cantidad mayor de silicio genera una matriz ferrítica más dura y frágil. Las propiedades mecánicas son un reflejo de la microestructura que tenga la fundición, en el proceso desarrollado por Saint Gobain PAM – España los tubos probados mostraron una resistencia mecánica de 496 MPa, un límite elástico de 326 MPa, un alargamiento del 14,75% y una dureza de 171 HB, cumpliendo con la normativa vigente para la fabricación de tubos de agua potable, saneamiento y regadío. En producción se tienen tres líneas de centrifugación denominadas Máquina 1 (M1), Máquina 2 (M2) y Máquina 3 (M3); por la línea M3 encargada de la fabricación de pequeños diámetros, se fabrica aproximadamente un 76,4% de los tubos producidos en un año, siendo con una gran diferencia la máquina que más horas anuales trabaja y mayor cantidad de rechazo genera. Para realizar un análisis cualitativo y cuantitativo del rechazo por porosidad, se estudió la distribución del rechazo total de fabricación, dando como resultado que el mayor número de rechazos se da en la prueba a presión hidráulica denominada PRENSA con un peso del 30% de todos los tubos rechazados, seguido por la inspección visual ANTE – HORNO con un 11% y las PICADURAS en cuarto lugar con un 6% aproximadamente. Dentro del control de PRENSA y ANTE – HORNO el rechazo por porosidad es de un 69.9% y 45.7% respectivamente, lo que sumado al rechazo por PICADURAS arrojó como resultado final un 3% de rechazo por porosidad respecto a los tubos centrifugados en M3; este rechazo por porosidad tiene un costo anual de aproximadamente 507.653 €. Por medio de herramientas de calidad y mejora, se detectaron los principales factores de centrifugación vinculados con la generación de rechazo por porosidad; asimismo, la necesidad de analizar el proceso de forma general debido a la deficiencia en el método, mano de obra y máquina, ya que se encontraban con valores muy similares dentro del análisis. Para poder analizar y relacionar los factores principales, se generaron bases de datos para realizar un control y seguimiento a la variación de dichos factores y su afección sobre el rechazo por porosidad. Las fallas en el sistema de revestimiento generaban un incremento significativo en el rechazo por porosidad, de igual forma, no se contaba con un sistema que permitiera dosificar de forma más exacta la cantidad adecuada de revestimiento. Además, se notó que con revestimientos más ricos en magnesio (superior al 1.1%) se disminuía el rechazo por porosidad; pero un exceso de Mg (cercano o superior al 1.4%) podría generar fisuras longitudinales. Se realizaron pruebas con un revestimiento nuevo con un contenido mayor de magnesio y su comportamiento en producción fue normal, es decir, en la fabricación de tubos de espesor alto (HP-Bio) se tuvo un rechazo por porosidad bajo (2,18%), mientras que en los tubos de espesor bajo (Natural-Bio) el rechazo por poros fue cercano a la condición inicial establecida (3,17%). Por condiciones operacionales el metal no siempre presenta las mismas propiedades, una temperatura muy superior o inferior a la adecuada (aproximadamente 1350°C) genera porosidad además de daños colaterales sobre los diferentes accesorios que componen la máquina de centrifugación. Por otra parte, la composición química, especialmente en el carbono y el aluminio, afecta a la fluidez del metal, alterando la correcta solidificación del tubo. La coquilla y especialmente el peening que se encarga de retener tanto el revestimiento como la colada se debe tener en buenas condiciones, ya que un mal estado de la coquilla afecta al rechazo por porosidad de diversas maneras. Por una parte, al no poder retener de forma correcta el revestimiento y/o la colada, genera porosidad de forma directa (por falta de fusión o contracción según las imágenes obtenidas por SEM). Por otra parte, las fisuras en la coquilla pueden dificultar la extracción del tubo y provocar micro – paradas (factor que se analizará más adelante). El estado de las lanzas afecta al rechazo de diversas formas, un mal recubrimiento de negro puede alterar la fluidez del metal y consigo los problemas ya mencionados por este factor. Un aspecto que resaltar es la curvatura de la punta de lanza, la cual, al estar perforada genera que la colada se mezcle prematuramente con el revestimiento además de caer de manera incorrecta sobre el molde, aumentando así el rechazo. Analizando los autómatas de producción cruzados con las listas de rechazo se observó que durante el picado de lanza (limpieza y cambio de negro) el rechazo aumentaba significativamente, y posterior al picado se encontraban largas franjas de tiempo sin rechazo significativo. Un factor crítico en la generación de rechazo por porosidad son las paradas y micro – paradas, ya que generan un enfriamiento del molde y al fabricar los siguientes tubos presentarán porosidad hasta que el sistema cuente con la temperatura adecuada. Realizando un análisis de la OEE comparando de forma especial el aumento de la pérdida de cadencia con el aumento del rechazo en general, es posible observar que son inversamente proporcionales en la mayoría de los casos, es decir, que a medida que se fabrica ligeramente más lento, el rechazo disminuye. A esto, se le suma que, cuando se fabrica rápido (disminución de pérdida de cadencia y aumento de pérdida por rechazo en la OEE) la línea de acabado de fabricación se satura obligando a la operación de centrifugación a parar, lo que representa un arranque posterior y consigo, tubos de rechazo. Finalmente, con el aumento de la cadencia, se observó que el agua en los extremos no se eliminaba totalmente, dejando la coquilla con humedad durante la fabricación. Según referencias bibliográficas, el aluminio es un elemento perjudicial en las fundiciones tendiendo a generar porosidad; este elemento se añade en el basket para mejorar la fluidez de la colada y evitar que queden residuos de metal pegados a la lanza. Se incrementó la cantidad de aluminio pasando de aproximadamente un 0,05% a un 0,113% para estudiar su influencia sobre el rechazo por porosidad, como resultado, no mostró ser perjudicial bajo las condiciones operativas de centrifugación en los tubos fabricados. La máquina de centrifugación funciona con un algoritmo que se regula automáticamente con base en los datos de los tubos fabricados y los parámetros consignados, una vez fabricados más tubos, el algoritmo cuenta con más datos que le permiten una mayor regulación. El cambio frecuente de parámetros importantes del algoritmo genera una pérdida de datos históricos y la necesidad de generar una nueva regulación, proceso en el cual, aumenta el rechazo. Finalmente se detectaron microinclusiones que eran dadas como “poros” por su apariencia superficial típica de un poro, por lo que se denominaron “falsos poros”. Mediante análisis por SEM se relacionaron las inclusiones con materiales provenientes del material refractario con el que se repara las lanzas, residuos del aro corta fuegos y ladrillo refractario del basket. Para la reducción del rechazo por porosidad se debe mejorar el proceso de forma global:

- Método: establecer estándares operativos que definan de forma clara qué tareas y cómo deben realizarlas los diferentes operarios de centrifugación. Para ello se actualizaron consignas y se generaron OPLs y SOPs. - Mano de obra: contar con el personal adecuado, con conocimiento de sus tareas y funciones. Por esta razón, se capacitaron sobre sus diferentes tareas a la vez que se generó una base informativa en la que se vincula los factores más importantes en la generación de rechazo. - Máquina: un constante mantenimiento que evite las paradas o micro-paradas por fallas mecánicas, así como contar con las herramientas en adecuadas condiciones que permitan ejecutar las tareas de la manera correcta. Se realizó gestión y seguimiento del mantenimiento para garantizar la buena funcionalidad de los diferentes accesorios de la máquina de centrifugar, así como realizar las posibles modificaciones que el proceso necesitara. La evolución tanto positiva como cuando se presentaron falencias es posible observarse en los diferentes indicadores y bases de datos generados, permitiendo analizar de forma puntual cada factor y tomar las medidas necesarias y oportunas.

SUMMARY: The foundry casting industry has been constantly evolving as the market and new technologies demand it; In the manufacture of ductile iron pipes by centrifugation, is sought to produce with the least amount of materials and energy, iron pipes with the highest quality standards. In Saint Gobain PAM - Spain we work in a way that allows us to be more competitive and always be at the forefront in innovation and manufacture of ductile cast iron pipes by centrifugation, a process in which rotation and translation movements are combined to form the pipes. However, in the production process it is possible to find various challenges to overcome within each Pillar that supports operational excellence and customer satisfaction; Among these challenges are the pipes rejected for some imperfection along the production line, which are detected at various points and control methods. In the development of this work, a study and analysis of the centrifugation process was carried out from various points of view; combining Materials Science, with WCM quality tools and production tests to detect the strengths and weaknesses of the operation, and thus, being able to establish the critical factors with their respective corrections and / or controls. As a first step in the characterization of the pipes, it has been found the chemical composition by means of the spectrometer as indicated below: carbon (3.42%), silicon (2.21%), sulfur (0.004%), manganese (0.147%), phosphorus (0.053%), chromium (0.126%), magnesium (0.026%), copper (0.179%), tin (0.007%), lead (0.0003%), titanium (0.013%), nickel (0.055%), arsenic (0.0049%), aluminum (0.038%) and vanadium (0.0117%). The above-mentioned chemical composition added to the heat treatment allows the formation of spheroidal graphite number 8 with a ferritic matrix seen from the optical microscope. However, higher amounts of silicon were detected in the plug (3.35% Si) and contents closer to the normal measurement recorded in the cord (2.18% Si), this because the coating (in ferro-silicon base) that is used to protect the shell and inoculate the casting is applied differently at the three centrifugation points (lance tip coating, arm coating and inoculation in the chute); a larger quantity of silicon produces a harder and more brittle ferritic matrix. The mechanical properties are a reflection of the microstructure of the cast iron, in the process developed by Saint Gobain PAM - Spain the iron pipes tested showed a mechanical resistance of 496 MPa, an elastic limit of 326 MPa, an elongation of 14.75% and a hardness of 171 HB, complying with current regulations for the manufacture of drinking water pipes, sanitation and irrigation. In production there are three centrifugation lines called Machine 1 (M1), Machine 2 (M2) and Machine 3 (M3); Approximately 76.4% of the iron pipes produced in one year are manufactured by the M3 line responsible for the manufacture of small diameters, being by far the machine that works the most hours per year and generates the greatest amount of rejection. To perform a qualitative and quantitative analysis of the rejection by porosity, the distribution of the total manufacturing rejection was studied, resulting in that the highest number of rejections occurs in the hydraulic pressure test called PRENSA with a weight of 30% of all pipes rejected, followed by visual inspection ANTE - HORNO with 11% and PITS in fourth place with approximately 6%. Within the control of PRENSA and ANTE - HORNO, the rejection due to porosity is 69.9% and 45.7% respectively, which added to the rejection due to PITCHES resulted in a 3% porosity rejection compared to the pipes centrifuged in M3; The porosity rejection has an annual cost of approximately € 507,653. By means of quality and improvement tools, the main centrifugation factors related to the generation of rejection due to porosity were detected; also, the need to analyze the process in a general way due to the deficiency in the method, labor and machine, inasmuch as they were with very similar values within the analysis. In order to analyze and relate the main factors, databases were generated to control and monitor the variation of these factors and their condition on porosity rejection. Failures in the coating system generated a significant increase in rejection because porosity, in the same way, there was no system that would allow the proper amount of coating to be dosed more accurately. In addition, it was noted that with coatings richer in magnesium (greater than 1.1%) the porosity rejection was decreased; but an excess of Mg (close to or greater than 1.4%) could generate longitudinal cracks. Tests were carried out with a new coating with a higher magnesium content and its behavior in production was normal, that is to say, in the manufacture of high thickness pipes (HP-Bio) there was a low porosity rejection (2.18%), while in the pipes of low thickness (Natural-Bio) the rejection due to pores was close to the established initial condition (3.17%). Due to operational conditions the metal does not always have the same properties, a temperature much higher or lower than adequate (approximately 1350 °C) generates porosity as well as collateral damage on the different accessories that make up the centrifugal machine. On the other hand, the chemical composition, especially in carbon and aluminum, affects the fluidity of the metal, altering the correct solidification of the tube. The shell and especially the peening that is responsible for retaining both the coating and the casting must be kept in good condition, since a poor condition of the shell affects the rejection by porosity in various ways. On the one hand, by not being able to correctly retain the coating and/or the casting, it generates porosity directly (due to lack of fusion or contraction according to the images obtained by SEM). On the other hand, cracks in the shell can make it difficult to remove the pipes and cause micro-stops (a factor to be discussed later). The state of the lances affects the rejection in different ways, a bad black coating can alter the fluidity of the metal and this cause the problems already mentioned by this factor. One aspect to highlight is the curvature of the spearhead, which, being perforated, causes the casting to mix prematurely with the coating in addition to falling incorrectly on the mold, thus increasing rejection. Analyzing the production automatons crossed with the rejection lists, it was observed that during the spear cut (cleaning and black change) the rejection increased significantly, and after the cut there were long periods of time without significant rejection. A critical factor in the generation of rejection by porosity are stops and micro-stops, inasmuch as they generate a cooling of the mold and when manufacturing the following pipes, they will present porosity until the system has the appropriate temperature. Performing an analysis of the OEE comparing in a special way the increase in cadence loss with the increase in rejection in general, it is possible to observe that they are inversely proportional in most cases, that is, as it is slightly slower, rejection decreases. Also, it is added that, when it is manufactured quickly (decrease in loss of cadence and increase in loss due to rejection in the OEE) the manufacturing finishing line is saturated, forcing the centrifugation operation to stop, which represents a start-up and subsequently reject pipes. Finally, with the increase in cadence, it was observed that the water at the ends was not completely removed, leaving the shell with moisture during manufacturing. According to bibliographic references, aluminum is a harmful element in foundries, tending to generate porosity; This element is added to the basket to improve the fluidity of the casting and avoid metal residues sticking to the lance. The amount of aluminum was increased from approximately 0.05% to 0.113% to study its influence on the rejection by porosity, as a result, it did not show to be harmful under the operating conditions of centrifugation in the pipes manufactured. The centrifugation machine works with an algorithm that is automatically regulated based on the data of the pipes manufactured and the parameters recorded, once more pipes are manufactured, the algorithm has more data that allows it to be more regulated. The frequent change of important parameters of the algorithm, generates a loss of historical data and the need to generate a new regulation, a process in which rejection increases. Finally, microinclusions were detected that were given as "pores" due to their typical surface appearance of a pore, which is why they were called "false pores". Through SEM analysis, the inclusions were related to materials from the refractory material with which the lances are repaired, residues from the fire-stop ring and refractory brick from the basket. To reduce rejection due to porosity, the process must be improved globally: - Method: establish operating standards that clearly define what tasks and how the different centrifuge operators must perform them. For this, instructions were updated and OPLs and SOPs were generated. - Workforce: have the appropriate adequate staff, with knowledge of their tasks and functions. For this reason, they were trained on their different tasks at the same time that an information base was generated in which the most important factors in the generation of rejection were linked. - Machine: regular maintenance that avoids stops or micro-stops due to mechanical failures, as well as having the tools in appropriate conditions that allow execute the tasks in the right way. Maintenance management and monitoring was carried out to ensure the good functionality of the centrifuge machine accessories, as well as make any modifications that the process needed. The evolution, both positive and when there were shortcomings, can be observed in the different indicators and databases generated, allowing each factor to be analyzed in a timely manner and taking the necessary and timely measures.