La investigación abarca aleaciones para un bajo

Aunque el hierro reemplazó al bronce como el metal de elección hace 3000 años, la forma más utilizada del hierro, el acero, sigue siendo la columna vertebral de la fabricación y la infraestructura modernas. Una entrevista con Murali Manohar, PhD, PE, jefe de productos de placas, energía e infraestructura en ArcelorMittal Global R&D, brinda información sobre lo que los fabricantes de tubos y tuberías pueden esperar en el futuro. Fuente: Getty Images

Los ingenieros, arquitectos y diseñadores que necesitan desarrollar componentes o ensamblajes hechos de metal no tienen escasez de opciones. Hay muchos miles de aleaciones metálicas disponibles y, según la Asociación Mundial del Acero, solo el acero comprende 3.500 grados. Con tantas opciones, ¿necesitamos más? De hecho, lo hacemos. Es posible que no los necesitemos en este momento, pero es probable que los necesitemos a medida que pase el tiempo, la sociedad cambie y las tecnologías progresen.

"Nos estamos preparando para la economía del hidrógeno", dijo Murali Manohar, PhD, PE, jefe de productos de placas, energía e infraestructura en ArcelorMittal Global R&D, East Chicago, Ind. Faltan décadas para eso, por lo que mientras tanto la compañía continúa realizar investigaciones para aplicaciones en la economía actual basada en el petróleo. Pocos negarían que todavía está vivo y bien: en los últimos años, la industria petrolera mundial bombeó alrededor de 97 millones de barriles por día al año. El mayor productor, EE. UU., produce alrededor de 12,5 millones de barriles por día y consume alrededor de 20,5 millones de barriles por día. Todos estos números seguramente serán algo más bajos en 2020 debido a la pandemia, pero las perspectivas para la industria son sólidas.

Dejando a un lado las consecuencias de COVID-19, muchos otros cambios están en marcha y lo han estado durante muchas décadas. Uno es el objetivo de reducir la dependencia estadounidense del petróleo extranjero, lo que ha llevado a estándares de eficiencia de combustible cada vez más estrictos para la industria automotriz. El interés general en la construcción de vehículos con menos masa condujo a la investigación y el desarrollo de generaciones completamente nuevas de aceros avanzados de alta resistencia; aceros de baja aleación y alta resistencia; y mayor uso de otros metales, como el aluminio y el magnesio.

Otro es la presión para reducir la huella de carbono colectiva de la sociedad, que desalienta el consumo de gasolina y carbón y fomenta un mayor uso de fuentes de energía alternativas, como la eólica y la solar. El uso generalizado del hidrógeno, que solo produce calor y agua cuando se quema, está a décadas de distancia, por lo que, mientras tanto, el gas natural actúa como un puente. El gas natural es útil para reducir la producción de carbono porque su combustión produce mucho menos dióxido de carbono que otros combustibles fósiles. Las mejoras en la tecnología de extracción, junto con las capacidades rentables para almacenar y transportar gas natural en forma gaseosa y licuada, han creado nuevas oportunidades comerciales.

¿Cuánto ha avanzado el gas natural? En términos de generación de electricidad, ha sido sustancial. Los datos de la Asociación de Información Energética de EE. UU. muestran que la participación del gas natural en la producción de electricidad en los EE. UU. aumentó del 26 % al 34 % desde 2014, mientras que la participación del carbón disminuyó del 40 % al 22 % en el mismo período.

"La industria de tubos y tuberías está justo en medio de estas transiciones", dijo.

"La empresa todavía está fuertemente invertida en la industria automotriz, pero la distinción entre nuestros negocios automotrices y no automotrices es cada vez menos clara", dijo Manohar. Su negocio automotriz sigue siendo muy fuerte, dijo Manohar, pero la compañía también está explorando oportunidades emergentes relacionadas con la energía.

"Nuestro objetivo es estar listos para proyectos de infraestructura como ductos y puentes", dijo.

Transporte de productos derivados del petróleo en climas fríos. Un área de enfoque en estos días para ArcelorMittal es un transporte de petróleo más seguro y confiable, que incluye un enfoque en aplicaciones de clima frío. La ingeniería y la construcción del oleoducto Trans-Alaska ilustran los problemas que surgen al trabajar en climas fríos.

El oleoducto de 800 millas de largo, que se extiende desde Prudhoe Bay hasta Valdez, Alaska, es una maravilla de la ingeniería. Alrededor de 400 millas atraviesan un área que nunca se congela, por lo que la tubería está enterrada en esa sección. Las otras 400 millas se encuentran en permafrost o permafrost discontinuo, lo que significa que el suelo está sujeto a importantes movimientos localizados a medida que se congela y descongela, se eleva y se asienta hacia abajo. En tales áreas, el movimiento vertical total puede ser de hasta 10 pies, según Manohar.

Con más de 30 años en la industria siderúrgica, el Dr. Murali Manohar es un miembro clave del equipo de I+D global de ArcelorMittal. Al frente de un equipo de más de 20 profesionales técnicos y de ingeniería, es responsable de equipos, actividades de investigación y soporte técnico a clientes y unidades de negocios corporativas en las áreas de placas, bobinas laminadas en caliente para energía, productos industriales y productos tubulares.

Sin embargo, la tubería no está sujeta a levantamientos ni asentamientos. Las 400 millas de tubería instaladas sobre el suelo están soportadas por una serie de 78,000 miembros de soporte verticales que enfrían el suelo en las inmediaciones para que permanezca congelado durante todo el año. El suelo no se congela ni se descongela, por lo que no sube ni baja.

Ingeniería de una nueva aleación para una aplicación antigua. ¿Qué pasaría si se diseñara otra tubería de este tipo sin soportes verticales? De ser así, tendría que soportar desplazamientos regulares y extremos a medida que cambiaban las estaciones.

Uno de los objetivos recientes de ArcelorMittal es desarrollar acero que pueda usarse para fabricar tuberías para aplicaciones de oleoductos con tres características: suficiente resistencia para soportar la presión interna necesaria, suficiente resistencia a la fractura para evitar fisuras (tanto iniciales como de propagación) y suficiente ductilidad para absorber las tensiones asociadas con movimientos localizados severos y repetidos.

Una mirada a un desarrollo de décadas de antigüedad en el procesamiento metalúrgico ilustra las dificultades para hacer que el acero sea más fuerte.

"Hasta la década de 1960, la única forma de aumentar la resistencia de una aleación de acero era aumentar el contenido de carbono", dijo Manohar. "El inconveniente es que agregar carbono también hace que el acero sea menos resistente a la fractura por fragilidad". En términos sencillos, más carbono significa más fuerza, lo que significa más dureza, lo que significa más fragilidad. Lo que complica el panorama es el uso de dicho acero en climas fríos. "A medida que desciende la temperatura, también disminuye la capacidad de resistir la fractura por fragilidad", dijo.

A mediados de la década de 1970, surgió una nueva estrategia para modificar la resistencia del acero, dijo Manohar. Los metalúrgicos descubrieron que al controlar el tamaño de grano del acero, podían mejorar la resistencia del material y su resistencia a la fractura frágil. En otras palabras, sería más difícil. Para hacerlo, los metalúrgicos tendrían que encontrar una manera de evitar que los granos individuales de acero crezcan demasiado.

Cuando se trabaja con acero, controlar el tamaño del grano es cuestión de controlar la temperatura de procesamiento y el tiempo de permanencia a la temperatura antes de enfriar el acero. El proceso de enfriamiento puede ser un enfriamiento rápido, una inmersión repentina en un líquido ajustado a una temperatura específica después de la austenización, pero el enfriamiento rápido no es la única opción. Otra forma de controlar el tamaño del grano es el procesamiento de control termomecánico, incluido el enfriamiento acelerado, que se utiliza en la sección de acabado del molino.

"El enfriamiento acelerado usa chorros de agua para enfriar el acero en la última etapa de producción", dijo. Dicho esquema utiliza boquillas dirigidas y agua que fluye a una presión intermedia, controlada con un sistema de retroalimentación y algoritmos adaptativos.

La investigación en esta área facilitó una mayor resistencia al tiempo que redujo el contenido de carbono. Es decir, contribuyó al desarrollo de los citados aceros de baja aleación y alta resistencia.

A partir de ahí, la investigación de ArcelorMittal se centra en el proceso de laminación, que reduce sustancialmente el espesor del acero, digamos de 10 pulgadas a ½ pulgada de espesor. La cantidad de trabajo realizado en cada pasada y la temperatura de cada pasada ayudan a determinar las características del material. Aquí es donde termina el trabajo de ArcelorMittal, pero su investigación continúa más allá de este paso. El objetivo final es aprender todo lo que se pueda sobre las características del metal después de haber sido laminado para fabricar tubos o tuberías.

"Cada laminador de tubos es diferente y queremos asegurarnos de que nuestros materiales funcionen en cada laminador", dijo. Además de intercambiar información y colaborar con varios productores de tubos y tuberías, la empresa realiza investigaciones por su cuenta.

Con ese fin, la empresa invirtió en dos equipos para enrollar la placa o enrollarla en forma tubular y probarla. Primero, una máquina dobladora de placas de cuatro rodillos, que forma la placa en un cilindro, una parte crucial del esfuerzo de investigación de ArcelorMittal, y proporciona una forma para que la empresa pruebe el acero después de que haya adquirido las características de los tubos o tuberías. Según Shira Cohen, especialista en comunicaciones y responsabilidad corporativa de la empresa, esta es la única unidad de este tipo en EE. UU. utilizada por una siderúrgica para probar productos energéticos; normalmente es responsabilidad de cada cliente realizar dichas pruebas.

El segundo equipo es un probador de expansión de anillo, que realiza una evaluación similar a la prueba hidrostática. Carga el tubo con fluido a presión y mide su deformación, generando un gráfico que muestra la relación entre la presión interna y la deformación.

La prueba más utilizada en la industria es una prueba de correa aplanada, que requiere cortar una sección del tubo o tubería y aplanarla. Si bien las pruebas posteriores pueden proporcionar información sobre el límite elástico mínimo y la resistencia máxima a la tracción del material, el proceso de aplanamiento en sí mismo cambia las características que se están investigando. La prueba de expansión del anillo tiene el potencial de ser una prueba más precisa de la tubería que entra en servicio porque no depende de un proceso de aplanamiento y la mantiene en su forma cilíndrica nativa. También se cree que representa las propiedades de la tubería de manera más cercana que la prueba estándar menos común, la prueba de tracción de barra redonda.

"La prueba de expansión del anillo se puede considerar como la prueba más representativa que muestra el comportamiento real de la tubería, en comparación con las pruebas de muestra de tracción de correa plana o barra redonda, que son las pruebas más utilizadas en la industria", según Manohar.

Un informe escrito por el Departamento de Transporte de EE. UU. en 1998 encontró que el costo directo anual de la corrosión era de $276 mil millones. En ese momento, este costo era el 3,1% del producto interno bruto. En esencia, esto significaba que cuando a la economía le iba bien, generando un crecimiento de alrededor del 3 %, perdíamos la misma cantidad en costos directos en relación con la corrosión, por lo que el resultado real era neutral.

Aunque el informe incluía más que solo infraestructura, el sistema de transporte de la nación era un área importante de preocupación.

"Estamos promoviendo material resistente a la corrosión para puentes", dijo Manohar. "Estimamos que podemos proporcionar placas para puentes que durarán 125 años".

La aleación para esto es un acero inoxidable de doble fase, descrito por ArcelorMittal como un material rentable resistente a la corrosión que se ajusta a la descripción de ASTM-A1010 (acero inoxidable martensítico de mayor resistencia). Marca registrada originalmente como Duracorr, se usó por primera vez para puentes como A1010 grado 50 con requisitos adicionales especiales. Para facilitar la aplicación, se agregó al estándar A709 para materiales de puentes de acero estructural en 2017 como Grado 50CR, que detalla todas las propiedades del material requeridas para puentes. Su contenido de cromo es del 12 %, sustancialmente menor que el 20 % al 27 % que se usa en algunos aceros inoxidables de las series 300 y 400, pero sigue siendo suficiente para respaldar una vida útil proyectada de 125 años, lo cual es impresionante.

"El costo inicial es más alto, quizás dos o tres veces más alto que un puente similar hecho de acero, pero después del primer repintado, es menos costoso", dijo Manohar. La pintura no es necesaria para la prevención de la corrosión, sino por estética.

Al igual que la selección de acero para tuberías, la selección adecuada de acero para la construcción de puentes depende del entorno.

"Para resistencia a la salinidad, para aplicaciones en alta mar y cerca de la costa, sugerimos un acero de alto rendimiento como HPS 70W", dijo. La literatura de la compañía establece que además de un límite elástico mínimo de 70 KPSI y requisitos de precalentamiento reducidos para soldadura, puede soportar más intemperie que un acero al carbono. Una descripción de ASTM de HPS 70W sugiere que tiene cuatro veces más resistencia a la intemperie que el acero con bajo contenido de carbono.

Otros ejemplos ilustran las necesidades actuales de aceros robustos pero ligeros. Las torres eólicas construidas dentro de 25 años pueden ser muy diferentes de las instaladas hoy, especialmente si continúa el deseo de torres marinas cada vez más altas en aguas cada vez más profundas. Además, aunque las posiciones políticas conservadoras en los EE. UU. favorecen la reducción de las regulaciones ambientales y comerciales, se seguirá investigando para mejorar las aleaciones que se utilizan para fabricar automóviles. Muchos países y algunas ciudades del mundo están planeando eliminar la venta y el uso de automóviles a gasolina y diésel en las próximas décadas, por lo que la transición a los automóviles eléctricos seguirá fortaleciendo el deseo de mantenerlos lo más livianos posible y por lo tanto, lo más eficiente posible.

Mientras tanto, aunque la economía del hidrógeno está muy lejos, algunas aplicaciones prácticas ya están aquí. Por ejemplo, una planta de ArcelorMittal en Hamburgo, Alemania, será la primera capacidad de producción de acero a escala industrial (100.000 toneladas/año) utilizando hierro de reducción directa, un proceso que utiliza hidrógeno en lugar del mineral de hierro tradicional con carbono (coque), eliminando la subproducto de dióxido de carbono.

Aquellos productores y fabricantes de tubos y tuberías que se mantengan al tanto de dicha investigación y los desarrollos tecnológicos posteriores estarán preparados para asumir estos nuevos desafíos y convertirlos en oportunidades rentables.