miércoles, 1 de diciembre de 2010

mas informacion(3) HECHO POR DANIEL AGUILERA)

VII.- MATERIALES UTILIZADOS EN LOS GENERADORES
DE VAPOR
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VII.1.- METALURGIA
Estructuras cristalinas.-
disposiciones ordenadas llamadas redes. Un ejemplo de red puntual simple se muestra en la Fig VII.1a,
en la que se presenta una celdilla unitaria; las longitudes de los ejes se definen por a, b y c y los ángulos
entre ejes por
En los sólidos, los átomos de los metales se encuentran colocados segúnα, β y γ, Fig VII.1b.
Fig VII.1.- Red puntual simple y celda unitaria
Los aceros utilizados en calderas y en recipientes a presión pertenecen a dos tipos de redes:
- Red cúbica centrada en el centro
- Red cúbica centrada en las caras
En aquellos puntos del cristal en donde existen modificaciones o interrupciones de la estructura, se
producen defectos.
Algunas estructuras se componen de un cristal simple, en el que todas las celdillas unitarias tienen
la misma disposición relativa y contienen pocos defectos; por ejemplo, los álabes de las turbinas de gas
para altas prestaciones se fabrican con monocristales que, aun siendo muy difíciles de fabricar, resultan
muy interesantes porque su resistencia está determinada mediante interacciones cerradas por los enlaces
atómicos en su disposición óptima
El comportamiento de las estructuras metálicas queda determinado por la naturaleza de los defectos
presentes en las mismas. Las estructuras están constituidas por conjuntos imperfectos de cristales
defectuosos siendo su resistencia menor que la correspondiente a los cristales simples perfectos.
VII.-209
Fig VII.2.- Redes cristalinas: a) Cúbica centrada en el cuerpo; b) Cúbica centrada en las caras
Defectos en cristales.-
cristales y sus correspondientes interacciones determinan las propiedades de los materiales.
Un cristal perfecto no existe en la Naturaleza; las imperfecciones de los
Defectos puntuales.-
Los defectos puntuales comprenden:
- La carencia de átomos o lagunas reticulares
- Átomos de otro elemento (sustitucionales) en puntos de la red cristalina
- Átomos de otro elemento (intersticiales) entre puntos de la red
Siempre existen lagunas reticulares, creadas térmicamente, que reducen la energía libre de la estructura
metálica, disminuyendo su entropía. No obstante, para las lagunas reticulares de origen térmico
que pueden existir en un cristal, hay un equilibrio que varía con la temperatura del mismo. La presencia
de lagunas reticulares permite la
de la red cristalina de otra especie.
Las lagunas reticulares facilitan determinadas formas de deformación a lo largo del tiempo, como la
difusión o transporte de una determinada especie de átomos a través
fluencia
solicitaciones. Las lagunas reticulares se pueden provocar por irradiación y por deformación plástica.
Cuando los átomos de dos metales se mezclan en estado líquido y luego se enfrían para lograr la solidificación,
los átomos de uno de los metales pueden tomar posiciones en la estructura cristalina del
otro, configurando entonces una aleación. Como consecuencia del distinto tamaño de los átomos y de la
distinta solidez de unión entre átomos diferentes, las propiedades de las aleaciones pueden diferir mucho
de las correspondientes al metal puro.
Los átomos de C, O
muy distintas, se pueden acomodar en los intersticios que hay entre los átomos metálicos.
La difusión de un elemento intersticial en una red cristalina metálica, depende también de la temperatura,
aunque fundamentalmente es función de la vibración reticular, que resulta ser mucho más
importante (en amplitud y frecuencia) para temperaturas que superan un umbral determinado.
Los elementos intersticiales sólo son parcialmente solubles en las redes cristalinas metálicas. Hay
algunos átomos, como el C en el Fe, que son prácticamente insolubles, de modo que su presencia en una
red cristalina produce siempre mayores efectos.
En la Fig VII.3 se muestran algunos defectos de cristales; esta representación es un esquema bidimensional
de una red cristalina del Fe, que contiene:
, que es la deformación lenta que experimenta un metal cuando está sometido continuamente a2, Ni y Bo que son mucho menores que los átomos metálicos y tienen estructuras
- Lagunas reticulares
- Átomos ajenos sustitucionales
- Átomos intersticiales
- Contorno de granos
- Huecos, inclusiones y precipitados, con estructuras completamente distintas
VII.-210
Contorno de grano Forma de dislocaciones
Precipitado o inclusión
Vacío
Fig VII.3.- Defectos importantes, imperfecciones comunes y defectos complejos en metales
Las dislocaciones son defectos lineales configurados por un proceso de deformación (deslizamiento o
resbalamiento) entre dos placas estructurales cristalinas adyacentes.
Contorno de los granos.-
orientaciones significativamente diferentes dentro de un metal. Como las uniones atómicas en los contornos
de los granos, y en otros defectos cristalográficos planos, son diferentes de las que existen en el
cuerpo de un cristal perfecto, se comportan de forma muy distinta frente
Los bordes de los granos son interfaces complejas entre cristales, con
al calor
a los reactivos químicos
.
Estas diferencias se ponen de manifiesto en el borde de los granos y en otras características estructurales
de las superficies metálicas pulidas, cuando se examinan al microscopio.
Los contornos de granos pueden tener efectos positivos o negativos, como:
- A bajas temperaturas, un acero de tamaño de grano pequeño puede ser más resistente que el mismo acero con tamaño
de grano grueso, porque el contorno de los granos actúa como barrera contra el deslizamiento.
- A altas temperaturas, en las que se pueden presentar deformaciones activadas térmicamente, un material con estructura
de grano fino puede ser más quebradizo, debido a la estructura irregular en el contorno del grano, que provoca la termofluencia
local, lo que permite que los granos roten por deslizamiento sobre los contornos.
Defectos volumétricos.-
por la unión de lagunas reticulares o por la separación de contornos granulares. Los defectos volumétricos
más corrientes son las inclusiones de óxidos, sulfuros y otros compuestos, o de otras fases que precipitan
durante la solidificación de los sistemas complejos.
Los defectos volumétricos pueden estar constituidos por vacíos configurados
VII.2.- METALURGIA FÍSICA DEL ACERO
Fases.-
en metalurgia, para representar las fases en coordenadas temperatura-composición, se utiliza el
diagrama de fases.
Para un metal puro, un diagrama de fases es una línea, puesto que su composición no varía.
Cuando participa más de un elemento, se pueden presentar una gran variedad de fases; una de estas
la constituye un sistema binario, como:
Una fase es un conjunto homogéneo de materia, que existe en una forma física bien definida;
Cobre + Niquel ( Cu + Ni )
Oro + Plata ( Au + Ag )
Oro + Platino ( Au + Pt)
Antimonio + Bismuto ( Sb + Bi )
El diagrama de fases de uno cualquiera de estos sistemas simples muestra dos características comunes
a todas las soluciones sólidas:
VII.-211
Fig VII.4.- Diagrama de equilibrio Cu-Ni
- El valor de la composición puede variar lo mismo en las soluciones líquidas que en las sólidas
- En estos sistemas, el cambio de fase (de líquido a sólido) tiene lugar dentro de un determinado intervalo de temperaturas,
a excepción del agua y de los metales puros, que se congelan y cambian la estructura a una temperatura determinada.
La Fig VII.4 es parte del diagrama correspondiente al sistema (Cu + Ni) que indica los elementos
que precipitan desde la solución, cuando el líquido se enfría con una velocidad relativamente lenta. Son
muy raras las aleaciones, en las que ambas especies son infinitamente solubles; lo más frecuente es que
los elementos sean sólo parcialmente solubles y que en el enfriamiento precipiten mezclas de fases.
También es normal que los elementos reaccionen entre sí, formando un compuesto químico intermetálico,
que puede tener rango de composición, aunque ésto sea más propio de las soluciones sólidas.
Dos sistemas que forman compuestos intermetálicos son el (Fe + Cr) y el (Fe + C).
Diagrama Fe-C.
de aleación. Prácticamente, todos los metales usados en calderas y recipientes a presión son
aceros; para los aceros al C, el Mn suele estar presente en cantidades próximas al 1% y es un elemento
sustitucional de disolución sólida.
El Mn tiene poco efecto sobre la red cristalina del Fe debido a que su tamaño atómico y su estructura
electrónica son similares a los del Fe, siempre que se trate de una concentración baja.
Variando el contenido en C, se obtienen amplias gamas de propiedades mecánicas mediante tratamientos
térmicos; el diagrama Fe-C, Fig VII.5, indica que la máxima solubilidad del C en el Fe-
0,025%, mientras que la solubilidad en el Fe-
Las aleaciones Fe-C, que contienen hasta un 2% C, son maleables (aceros).
Las fundiciones contienen más del 2% C y son de peor calidad que los aceros, en cuanto a maleabilidad,
resistencia, tenacidad y ductilidad.
Los átomos de C son considerablemente menores que los de Fe; en el caso del Fe-
punto medio de las aristas del cubo y en los centros de las caras, (ferrita).
En el Fe-
del mismo, (austenita).
- El acero es una aleación de base férrica que suele contener Mn, C y otros elementosα es delγ es ligeramente superior al 2%.α se disponen en elγ, los átomos de C se disponen en los puntos medios de las aristas del cubo y en el centro
VII.-212
J (0,18%C)
B (1492ºC; 0,4%C)
H (0,08%C)
Fig VII.5.- Diagrama Fe-C
En la ferrita hay muchos más intersticios que en la austenita; en ambas estructuras, los espacios
intersticiales son mucho menores que los del átomo de C lo que conduce a una distorsión total de la red
cristalina y da lugar a una limitada solubilidad del C en el Fe. Los intersticios de la austenita son mayores
que los de la ferrita, lo que explica la mayor solubilidad del C en la austenita.
Si la austenita tiene más del 0,125%C, y se enfría lentamente, se transforma en ferrita; el C en exceso
sobre el 0,125% precipita de la solución sólida; esta precipitación no tiene lugar en forma de C puro
(grafito), sino que forma un compuesto intermetálico, Fe
la mayoría de los carburos metálicos, es una sustancia dura.
La cementita no es una fase completamente estable, siendo el grafito mucho más estable; la dureza
del acero aumenta con el contenido en C, incluso sin tratamiento térmico alguno.
3C, carburo de Fe o cementita que, al igual que
Temperaturas de transformaciones críticas.-
la adición de C, hasta un contenido de 4,3%C; a mayores temperaturas que la de fusión, coexisten
las fases líquida y sólida. Cuando el contenido en C alcanza un 0,1%, el valor del Fe-
El punto de fusión de una aleación de Fe se reduce medianteδ se restringe y, fi-
VII.-213
nalmente, se elimina como una fase simple, permaneciendo algo de Fe-
0,5% C, pero está combinado con otras fases.
Por debajo de la región del Fe-
la línea S-E, Fig VII.5, que limita la solubilidad de la disolución sólida.
La temperatura a la que existe sólo austenita decrece conforme aumenta el contenido en C, línea GS,
hasta el punto eutéctico correspondiente a 0,80% C y 1333ºF (723ºC).
La temperatura aumenta a lo largo de la línea S-E, con el contenido creciente de C, porque la austenita
es inestable para absorber C adicional, excepto a temperaturas más altas.
Una reacción eutectoide es aquella transformación en la que una fase sólida simple se descompone
en dos nuevas fases mediante enfriamiento o se produce la reacción inversa en caso de calentamiento.
Para la composición eutectoide del 0,8% C, sólo existe austenita por encima de los 1333ºF (723ºC) y únicamente
hay ferrita y cementita por debajo de dicha temperatura; ésta es la temperatura crítica inferior
A
Para contenidos en C menores, en la región hipoeutectoide, conforme se enfría la austenita y se alcanza
A
Cuanto más baja la temperatura por debajo de 1333ºF (723ºC) en A
transforma en ferrita y cementita.
En la región hipereutectoide, por encima del 0,8% C, cuando la cementita se enfría hasta la línea
crítica A
transforma en ferrita y cementita.
El punto A
espontáneo. En un proceso de enfriamiento, a la temperatura A
se transforma en ferrita y cementita; la estructura laminar resultante es una alternancia de capas delgadas
de ferrita y cementita, típica de las reacciones de descomposición eutectoide; en los aceros esta
estructura es la perlita, que siempre tiene la composición eutectoide correspondiente al 0,8% C.
Cuando la perlita se mantiene a una temperatura moderadamente alta, por ejemplo 950ºF (510ºC),
durante un largo período de tiempo, la cementita se descompone en ferrita y grafito:
δ hasta, aproximadamente, elδ, la austenita absorbe C hasta las composiciones que corresponden a1 .1 (temperatura crítica superior) precipita primero la ferrita.1, la austenita residual secm precipita primero la ferrita; cuando se enfría hasta 1333ºF (723ºC) la austenita residual se2 es el punto Curie, que se corresponde con la temperatura a la que el Fe pierde su ferromagnetismo1 toda la austenita residual
- En primer lugar, las laminillas de Fe
(globular)
- Posteriormente, los átomos de Fe se repelen de las esferas, dando lugar a una estructura grafitizada.
3C se aglomeran en esferas y la estructura resultante se identifica como esferoidal
VII.3.- DIAGRAMAS DE TRANSFORMACIONES ISOTERMAS
Cuando la austenita se enfría rápidamente, o cuando
la perlita y la ferrita
la perlita y la cementita
, se calientan rápidamente,
las líneas correspondientes a las transformaciones que se representan en el diagrama de equilibrio,
Fig VII.5, están sujetas a desplazamientos, lo que lleva a designar con más precisión los puntos A
1
y A
3 :
A
A
C1 y AC3 en caso de calentamientoR1 y AR3 en caso de enfriamiento
Los procesos de fabricación implican diversos intervalos de tiempo, que van desde algunos segundos,
hasta varios días (tratamientos térmicos de grandes recipientes), por lo que es evidente que el factor
tiempo es relevante en cualquier caso.
Los experimentos sobre transformaciones isotermas se utilizan para determinar los tiempos de
transformación de las fases, a una temperatura particular considerada; los datos se representan en los
VII.-214
diagramas TTT (Temperatura, Tiempo, Transformación), o curvas de las S.
El diagrama TTT de la transformación isotérmica que se representa en la Fig VII.6, relativo a un
acero hipoeutectoide, muestra el tiempo para la transformación de la austenita en otros componentes,
para varias temperaturas:
- El acero se calienta hasta unos 1600ºF (871ºC) y la totalidad del mismo está en estado austenítico
- A continuación se introduce rápidamente en un horno o en un baño de sales fundidas a 700ºF (371ºC), en el que se
mantiene a esta temperatura
- La Fig VII.5 indica que la ferrita y los carburos existen a esta temperatura y la Fig VII.6 indica el tiempo de duración
de la reacción correspondiente
- Si los intervalos de tiempo relativos a la duración de la transformación se proyectan, tal como se indica en la Fig VII.6
en la parte superior de dicho diagrama, se puede predecir que el 100% de la austenita existe durante unos 4 segundos hasta el
comienzo de la transformación
- Al cabo de unos 100 segundos se completa el 50% de la transformación y, finalmente, en 700 segundos la totalidad de
la austenita se ha sustituido por un aglomerado de ferrita y cementita.
- Para temperaturas inferiores a los 600ºF (316ºC), la austenita se transforma en martensita, que es el componente más
duro de los aceros sometidos a un tratamiento térmico. La temperatura a la que comienza la formación de la martensita se
identifica con la notación M
muy sensible al contenido en C de la austenita; una alta temperatura de austenización produce una solución más compleja
de carburos.
8 que decrece con el aumento de la temperatura de formación de la austenita, debido a que M8 es
La nariz de la curva que se encuentra en el lado izquierdo, Fig VII.6, está en este caso a unos 900ºF
(482ºC), y es importante porque la transformación a esa temperatura es muy rápida; si este acero se
enfría para formar martensita, debe pasar por esos 900ºF (482ºC) con toda rapidez, para impedir que la
línea que determina el enfriamiento corte a la nariz de la curva, o lo que es lo mismo, para impedir que
parte de la austenita se transforme en perlita, que es más blanda.
La martensita es una estructura metastable superenfriada, que tiene la misma composición que la
austenita, a partir de la cual se forma. Es una solución de C en Fe, que tiene una estructura cristalográfica
tetragonal con malla centrada en el cuerpo.
La dureza de la martensita se debe
Al alto contenido en C sobresaturado
A la distorsión de la red provocada por el exceso de C capturado
Al cambio volumétrico de la transformacion

El volumen específico de la martensita es mayor que el de la austenita.
La formación de la martensita:
No se produce mediante nucleaci ón y posterior crecimiento
No se puede sup rimir mediante el templado
Es un compuesto atérmico

La austenita empieza a formar martensita a la temperatura M
aumenta la cantidad de martensita en la estructura.
Cuando se alcanza la temperatura M
intermedia entre las dos citadas, la cantidad de martensita a esa temperatura se forma instantáneamente
y se mantiene a esa temperatura sin que se produzcan transformaciones posteriores.
Las temperaturas M
la martensita tiene el aspecto de agujas lenticulares.
La bainita se produce cuando tiene lugar la transformación del eutéctico a menor temperatura,
aunque por encima de la M
8 y conforme disminuye la temperaturaF se completa la formación de la martensita. A cualquier temperaturaS y MF se representan como líneas rectas en el diagrama TTT, Fig VII.7. Al microscopio,8.
VII.-215
Fig VII.6.- Diagrama de transformación isoterma. Tiempo requerido en un acero, p.e. a 700ºF (371ºC)
Fig VII.7.- Curvas TTT. Transformación para un acero ordinario con 0,8% C
VII.4.- EFECTO DE LOS ELEMENTOS ALEADOS EN EL DIAGRAMA Fe-Fe
3C
La adición de uno o más elementos a la aleación Fe-C, puede tener efectos significativos sobre el tamaño
relativo que adquieren los distintos campos de fases en el diagrama Fe-cementita.
El Ni, Mn, Cu y Co son formadores de austenita,
porque su adición a la aleación Fe-C incrementa la
VII.-216
temperatura a la que se transforma la martensita en ferrita-
suficiente cantidad de estos elementos, se incrementa el campo de la austenita y, por otro lado, la estructura
cristalina centrada en las caras del cubo se hace estable a la temperatura ambiente. La mayoría
de los elementos citados no forman carburos por lo que el C permanece disuelto en la austenita; de
esta circunstancia se derivan muchas propiedades útiles de los materiales como alta estabilidad, resistencia
y ductilidad, incluso a elevadas temperaturas.
δ y rebaja mucho el A3, Fig VII.5. Añadiendo
El Cr, Mo, W, Va, Al y Si
elementos elevan la temperatura A
red cristalina centrada en el cubo, incluso a altas temperaturas.
Los aceros son los materiales estructurales más importantes de las modernas tecnologías que pueden
satisfacer cualquier necesidad en muchas aplicaciones. Sus propiedades afectan por las características
de los elementos añadidos, en forma aislada o combinada, que entran a formar parte de la composición
del acero, y por su comportamiento como componentes sometidos a diversas condiciones de temperatura
y de tiempos de fabricación y utilización.
Por ejemplo:
, tienen un efecto opuesto al precedente y son formadores de ferrita. Estos3 y algunos forman carburos estables, estabilizando la ferrita con
El Cr aumenta la resistencia a la corrosión y a la exfoliación
El Mo aumenta la resistencia a la termofluencia a elevadas temperaturas
El Ni en cantidades apropiadas restituye la austenita del acero

El efecto de los elementos más importantes que se encuentran en los aceros comerciales, se detallan
a continuación.
Carbono.-
produce una resistencia y una dureza finales mucho más altas, pero al mismo tiempo reduce la ductilidad
y la tenacidad.
El C incrementa la dureza del
Es el elemento de aleación más importante del acero; un incremento del contenido en C
temple al aire
soldeo
, especialmente en presencia de Cr.
Fig XI.8.- Efecto del C sobre las propiedades mecánicas de un acero al carbono laminado en caliente
VII.-217
En aceros de baja aleación y aplicaciones a alta temperatura, el contenido en C se disminuye hasta
un 0,15% C para asegurar la óptima ductilidad en las operaciones de soldeo, doblado y plegado; para alcanzar
una adecuada resistencia a la termofluencia no se debe bajar del 0,07% C.
Para minimizar la corrosión íntergranular provocada por la precipitación de carburos, el contenido
en C de los aceros inoxidables austeníticos se limita al 0,10% C; para una aceptable resistencia a la termofluencia
se requiere un mínimo de 0,04% C.
Para temperaturas inferiores a 825ºF (441ºC), la resistencia a la fluencia se incrementa cuando el
contenido en C aumenta hasta el 0,04% C. Para temperaturas superiores a ésta, cuando el contenido en
C se modifica, existen pequeñas variaciones en las propiedades de los materiales frente a la fluencia.
En general, un aumento en el contenido de C reduce las conductividades térmica y eléctrica del acero
y se incrementa su dureza en el templado
Manganeso.-
10% Mn; cuando el acero está fundido, el Mn se combina con el S residual, formando sulfuros de Mn, que
tienen un punto de fusión muy superior al de los sulfuros de Fe
Sin el Mn se podrían formar sulfuros de Fe que funden a 1800ºF (982ºC), lo que conduciría a una
fragilidad en caliente, que es el mecanismo de fallo durante las operaciones de conformación a esas temperaturas.
En consecuencia:
Es infinitamente soluble en la austenita y soluble en la ferrita hasta contenidos del
El Mn facilita la maleabilidad que distingue al acero del Fe fundido.
Forma carburos estables, siendo la tendencia a la formación de éstos ligeramente superior a la de la formación de carburos
de Fe, aunque no llega a ser tan importante como la de los del Cr
Refuerza la disolución de sólidos, es mejor que el Ni y casi tan bueno como el Cr
Se puede utilizar en los aceros austeníticos inoxidables en sustitución del Ni, como estabilizador austenítico de menor
coste.
Molibdeno.-
rozamiento, cualidades frente a impactos y templabilidad; contribuye a la resistencia a altas temperaturas
y permite calentar los aceros hasta el rojo intenso, sin pérdida de dureza.
El Mo incrementa la resistencia al ablandamiento durante el templado y limita el crecimiento del
grano estructural del acero; hace que los aceros al Cr sean menos susceptibles a la fragilidad por revenido,
siendo el aditivo simple más efectivo que incrementa la resistencia a la fluencia a alta temperatura.
El uso del Mo mejora la resistencia a la corrosión de todos los aceros austeníticos inoxidables, reduciendo
en ciertas condiciones la susceptibilidad a la corrosión por picaduras.
Cuando se añade al acero aumentan: su resistencia, límite elástico, duración frente al
Cromo
adherente, frente a otros elementos que son potentes formadores de óxidos.
El Cr es el único elemento altamente soluble en el Fe, pues puede llegar hasta el 20% Cr en austenita
y prácticamente infinito en ferrita.
Es irreemplazable para la resistencia a la oxidación en aplicaciones a alta temperatura, y a la temperatura
ambiente incrementa el límite elástico, la dureza y la ductibilidad del acero.
En aceros recocidos de baja aleación, para resistencia a termofluencia, el contenido óptimo es un
2,25% Cr; cuando se incrementa el contenido en Cr, se observa una mejora permanente en la resistencia
a la corrosión atmosférica y en el ataque de muchos reactivos que pueden favorecer la oxidación.
Un acero que contiene más de un 12% Cr se considera como inoxidable, es decir, la película formada
por el Cr
En general, las propiedades químicas del acero resultan afectadas por el contenido en C; altos nive-
.- Es el componente esencial del acero inoxidable, porque forma un óxido estable y fuertemente2O3 es suficiente para prevenir la formación de óxido de Fe hidratado.
VII.-218
les de Cr y bajos de C conducen a mayores resistencias frente a la corrosión.
La adición suficiente de Cr impide la grafitización durante prolongados períodos de servicio a altas
temperaturas. La adición de más del 1% Cr puede provocar un notable templado al aire del acero en
cuestión; el templado al aire es función directa de los contenidos de Cr y C, hasta un 13,5% Cr.
En los aceros de bajo contenido en C que tengan más del 12% Cr, su resistencia al impacto se reduce
siendo muy pobre la ductilidad.
El contenido en Cr disminuye la conductividad térmica y eléctrica.
En aceros de baja aleación, el Cr se puede difundir mediante el cromado, que es un proceso de deposición
química. Se pueden alcanzar altos contenidos en Cr, prácticamente inatacables por oxidación y
totalmente resistentes a la exfoliación.
Níquel.-
superior al 1% Ni; mejora la resistencia a la corrosión, en algunos medios, si se llega a contenidos en Ni
del 5%.
El Ni es efectivo en la mejora de propiedades frente al impacto, sobre todo a baja temperatura.
Su utilización más importante como elemento de aleación de los aceros, radica en su combinación
con el Cr, en valores del 8% de Ni o más.
El Ni es un potente formador de austenita, ya que las aleaciones Fe-Ni-C con altos contenidos en
Cr son austeníticas a temperatura ambiente.
Las diversas combinaciones de Cr y Ni en el Fe producen propiedades que no se pueden obtener con
contenidos equivalentes de otros elementos simples.
Las combinaciones más frecuentes son:
Cuando al acero se le añade Ni aumenta su tenacidad, especialmente si su contenido es
18%Cr/8%Ni ; 25%Cr/12%Ni
25%Cr/20%Ni ; 20%Cr/30%Ni
,
a la corrosión atmosférica y a la oxidación a alta temperatura, ofreciendo resistencias mejoradas
ampliamente a la termofluencia.
En los aceros ferríticos de baja aleación, el Ni es ligeramente beneficioso para elevar las propiedades
frente a la fluencia, ya que reduce el coeficiente de dilatación térmica y disminuye las conductividades
eléctrica y térmica.
A temperaturas elevadas, el Ni no favorece la resistencia frente a los compuestos sulfurosos.
siendo estos aceros resistentes
Cobalto.-
a una matriz austenítica, se convierte en un potente reforzador de la disolución y formador de carburos.
Mejora la resistencia a la fluencia.
Las aleaciones Fe-Co tienen la inducción de saturación magnética más elevada entre todos los materiales
conocidos, por lo que estas aleaciones se emplean frecuentemente en imanes permanentes.
Es el único elemento que impide el templado de los aceros, por lo que cuando se añade Co
Wolframio.-
de disoluciones sólidas
Forma carburos resistentes a la abrasión en los aceros especiales para herramientas, desarrolla
dureza frente a las altas temperaturas de templado y en algunos aceros a alta temperatura contribuye
a la resistencia frente a la termofluencia.
El W actúa de forma parecida al Mo, siendo un potente formador de carburos y un reforzador
Vanadio.-
a su elevado coste. En los aceros se emplea como elemento de aleación para aumentar la resistencia, la
tenacidad y la dureza; forma carburos, y estabiliza la estructura, especialmente a altas temperaturas;
minimiza la tendencia al crecimiento del grano lo que permite el tratamiento térmico a temperaturas
más elevadas, e intensifica las propiedades de los elementos que se suelen incluir en la composición de
Es un agente desgasificador y desoxidante, aunque esta peculiaridad se usa poco debido
VII.-219
los aceros aleados.
Pequeños contenidos en vanadio, entre 0,1
térmico, en aceros que contienen entre 0,5
frente a la termofluencia a altas temperaturas.
÷ 0,5% Va, acompañados del correspondiente tratamiento÷ 1,0% Mo, producen notables mejoras de las propiedades
Titanio y Niobio.
es un buen agente desoxidante y desnitrurante.
Estos elementos son mucho más efectivos en las aleaciones austeníticas de Cr-Ni (en las que reaccionan
rápidamente con el C), que en las aleaciones de Cr, circunstancia que permite que el Cr quede en
la disolución sólida y en la concentración necesaria para poder mantener la resistencia a la corrosión.
El Ti, Nb, y el (Ti -Ta) se emplean mucho para reducir las tendencias al templado al aire y para incrementar
la resistencia a la oxidación de los aceros con un máximo de 14% Cr.
A largo plazo, en lo que se refiere a propiedades a altas temperaturas, estos elementos tienen una
influencia beneficiosa sobre los aceros inoxidables al Cr-Ni, debido a la estabilidad de sus carburos, nitruros
y carbonitruros.
El Ti y el Nb se han empleado también en algunos aceros, para mejorar sus propiedades a altas
temperaturas, formando un compuesto intermetálico (Ni
de la resistencia.
- El Ti y el Nb son los formadores de carburos más potentes que se conocen; el Ti3Ti) que constituye una potente fase reforzadora
Cobre.-
atmosférica y se disminuye el ataque relativo a los ácidos reductores.
El Cu, al igual que el Ni, en condiciones de alta temperatura no es resistente a los compuestos sulfurosos,
por lo que el Cu no se emplea en aceros de baja aleación previstos para servicios a alta temperatura,
en ambientes con compuestos de S, tal como ocurre en una atmósfera de gases de combustión.
El Cu se añade a los aceros de baja aleación para construcción, con el fin de aumentar el límite
elástico y la resistencia a la corrosión atmosférica.
La presencia del Cu en aceros de alta aleación incrementa la resistencia al ácido sulfúrico.
Cuando al acero se le añade Cu en pequeña cantidad, se mejora la resistencia a la corrosión
Boro.-
Bo, en presencia de Mo, impiden la formación de martensita y facilitan la completa transformación a
bainita, antes de que se alcance la temperatura M
La bainita mejora la resistencia y la estabilidad de los aceros al Cr-Mo, destinados a la fabricación
de recipientes a presión.
El isótopo del boro B
añade habitualmente a los aceros que se utilizan en la construcción de vasijas de reactores nucleares y
de recipientes de almacenamiento de combustibles y residuos nucleares.
El Bo combinado con el Mo es un potente estabilizador de la bainita. Pequeñas cantidades des.-10 tiene una muy alta sección eficaz de captura de neutrones, por lo que se
Nitrógeno.-
que se consigue mediante la difusión de Ni naciente en la superficie del acero.
El N
En presencia de Al o de Ti, el N
de los nitruros y carbonitruros.
En aceros inoxidables austeníticos, el N
embargo no agota el Cr en la austenita, como hace el C.
La resistencia de los aceros inoxidables que contienen N
que contienen C, resistencia que se logra sin que haya susceptibilidad al ataque corrosivo en estos
En aceros al C de baja aleación se emplea en casos de endurecimiento superficial, lo2 y el C son reforzadores intersticiales en las disoluciones sólidas.2 produce un refuerzo adicional, a causa de la formación de precipitados2 facilita el mismo reforzamiento intersticial que el C, y sin2 es equivalente a la de los aceros inoxidables
VII.-220
aceros, que proviene de la formación local de carburos en los contornos de los granos.
Oxígeno.-
del proceso de fabricación del mismo. No obstante, algunos óxidos son muy buenos y estables, especialmente
los de Al, Ti y To; para conseguir que estos óxidos se dispersen como partículas finas en toda la
masa de la aleación, se debe provocar una oxidación interna mediante atmósfera de O
polvometalotecnia.
El O2 no es un elemento de aleación; su presencia en el acero es un residuo procedente2 o por técnicas de
Aluminio
desoxidante y se utiliza mucho en la producción de los llamados aceros calmados (desgasificados).
Cuando el Al se añade en cantidades apreciables, puede llegar a formar escamas fuertemente adheridas
de óxido refractario, aumentando la resistencia frente a la exfoliación. Sin embargo, resulta difícil
añadir cantidades notables de Al, sin que se presenten otros efectos indeseables.
Las proporciones normales del orden del 0,015
formas ordinarias de corrosión.
Como resultado de su afinidad por el O
de alúmina, que pueden provocar corrosiones y picaduras.
El Al cuando se aplica sobre el acero como revestimiento superficial, aumenta la resistencia a la
oxidación, tal como se hace en el proceso de impregnación con Al o calorización.
Una excesiva cantidad de Al tiene un efecto negativo sobre las propiedades del material, frente a la
termofluencia, particularmente en el caso del acero al C, lo que se puede atribuir a la influencia que tiene
el Al sobre el afino del grano y sobre la aceleración de la esferoidización y grafitización de los carburos.
.- El Al es un componente secundario, propio de los aceros de baja aleación. Es un eficiente÷ 0,080% Al, no mejoran la resistencia frente a las2, los aceros altos en Al suelen contener numerosas inclusiones
Silicio.-
desoxidantes y desgasificadoras. La resistencia a la oxidación y la estabilidad superficial del acero se
pueden mejorar mediante la adición de Si, efectos deseables que compensan parcialmente la tendencia
del Si a reducir la resistencia a la fluencia.
Cuando el Si se añade en cantidades no superiores al 2,5% Si, la resistencia máxima del acero aumenta
sin perder ductilidad; contenidos en Si superiores al 2,5% provocan fragilidad.
El Si aumenta la conductividad eléctrica del acero y disminuye sus pérdidas por histéresis, por lo
que los aceros al Si se utilizan en toda clase de aparatos eléctricos.
El Si contribuye mucho a la calidad del acero, como consecuencia de sus altas propiedades
AGENTES DESGASIFICADORES.-
acero con propósito desoxidante.
El Al se usa también para controlar el tamaño de grano.
El Ca y los metales de tierras raras, cuando se añaden a un baño de fundición, tienen los mismos
efectos desoxidantes, forman óxidos complejos u oxisulfuros y pueden mejorar notablemente la conformabilidad
mediante el control del perfil de los sulfuros.
Los agentes desgasificadores como el Si y el Al se añaden al
Fósforo.-
Los contenidos superiores al 0,20% P, para diversos tipos de aceros al C, reducen la resistencia al
choque y disminuyen su ductilidad para trabajos en frío (acritud), debido a un tamaño ampliado del grano
que provoca la segregación, efecto dañino que aumenta con el contenido de C.
El P resulta efectivo en la mejora de la maquinabilidad de los aceros mecanizables, lo que está relacionado
con su efecto de fragilidad, que permite virutas susceptibles de romperse en el proceso del mecanizado.
Cuando se disuelve una cantidad menor a un 0,20% P, es un endurecedor muy efectivo.
VII.-221
En los aceros aleados destinados a la construcción de calderas, el contenido permisible de fósforo es
menor que en los aceros mecanizables, siendo la presencia de P censurable con vistas a las operaciones
de soldadura.
El P se utiliza como elemento de aleación (hasta el 0,15%) en aceros de baja aleación y en aceros de
alta resistencia, que requieran mayor límite elástico y más resistencia a la corrosión atmosférica.
Frente a ciertos ácidos, un alto contenido en P puede aumentar la velocidad de corrosión.
Azufre.-
muchos procesos para evitar su presencia en los mismos.
No obstante, en algunos casos se añade S al acero para aumentar su maquinabilidad, empleándolo
como los demás aditivos que mejoran la mecanización, como el P, Ca, Pb, Bi, Se y Te.
Varios de estos elementos son virtualmente insolubles en el acero; tienen puntos de fusión muy bajos
o forman compuestos que tienen bajos puntos de fusión. Estos compuestos pueden dar lugar a fragilidad
del metal líquido o fragilidad en caliente, incluso a temperaturas moderadamente altas.
Como la industria de pasadores y pernos se inclina siempre por el uso de aceros de fácil mecanizado,
dados los beneficiosos efectos que tiene tal elección sobre su fabricación, los constructores de calderas
deben tener mucho cuidado al utilizar pasadores roscados a altas temperaturas.
En general, es un elemento indeseable en todos los aceros, por lo que se han desarrollado
VII.5.- TRATAMIENTOS TERMICOS
Las cualidades del acero se alteran modificando su estructura mediante un tratamiento térmico
determinado, para:
- Cumplimentar unos requisitos de dureza o de ductilidad
- Mejorar la aptitud frente al mecanizado (maquinabilidad)
- Afinar el grano de la estructura
- Aliviar tensiones internas
- Alcanzar mayores niveles de alta resistencia o de mejorar propiedades frente al impacto, etc
Recocido.-
de solubilización, de estabilización, intercrítico, isotermo e intermedio.
Es un tratamiento que se aplica a varios procesos, como son los recocidos de regeneración,
Recocido de regeneración.-
la temperatura de transformación crítica A
tiempo largo, para la completa transformación del acero en austenita y, posteriormente, enfriarlo a velocidad
controlada en un horno hasta menos de 600ºF (316ºC)
Afina la estructura granular y facilita un material relativamente blando y dúctil que prácticamente
está libre de tensiones internas.
Se realiza mediante el calentamiento de un acero ferrítico por encima de3, Fig VII.5, deteniendo ahí el calentamiento durante un
Recocido de solubilización.-
hasta una temperatura que ponga en disolución la mayor parte de los carburos. El acero se mantiene
a esta temperatura durante el tiempo suficiente para lograr el crecimiento del grano.
Posteriormente, el acero caliente se templa en agua o en otro líquido para lograr un rápido enfriamiento,
que impida la precipitación de la mayoría de los carburos; con este proceso de recocido de solubilización
se alcanzan óptimas resistencias a la termofluencia y a la corrosión.
Para muchas aplicaciones en calderas, los aceros inoxidables austeníticos requieren de una elevada
resistencia a la termofluencia del grano grueso, y no de una alta resistencia a la corrosión acuosa ya que
sólo están expuestos al vapor seco y a los gases de combustión; en estos casos se utiliza el recocido de
solubilización, para que se complete el crecimiento del grano, pero no se precisa el templado.
Se efectúa mediante el calentamiento de un acero inoxidable austenítico,
VII.-222
Recocido de estabilización.-
de severa corrosión acuosa. El acero se somete a un recocido de solubilización y, posteriormente, se
recalienta hasta 1600ºF (871ºC) y se mantiene a esa temperatura.
Inicialmente los carburos de Cr precipitan en los contornos de los granos que constituyen el acero y,
como esos granos son complejos con contenidos muy altos en Cr, la austenita próxima a los contornos
de los granos se empobrece en Cr, por lo que el acero es susceptible de recibir un ataque corrosivo, pero
manteniéndolo a 1600ºF (871ºC) se facilita que el Cr residual en la solución de austenita, se redistribuya
dentro de los granos, restaurándose la resistencia a la corrosión, incluso en las zonas próximas al contorno
de los granos.
Se realiza sobre aceros inoxidables austeníticos empleados en ambientes
Recocido intercrítico y recocido isotermo.-
de un acero ferrítico hipoeutectoide, por encima de la temperatura crítica de transformación
A
Este tratamiento disuelve todos los carburos de Fe, pero no transforma toda la ferrita en austenita.
A partir de la temperatura alcanzada, un enfriamiento lento produce una estructura de ferrita y
perlita, a través de A
Estos recocidos son similares entre sí, e implican el calentamiento1, Fig VII.5, y por debajo de la crítica superior A3 .1, que está libre de tensiones internas.
a) En el recocido intercrítico se continúa el enfriamiento lento del acero dentro del horno, en forma similar a lo realizado
en el recocido de regeneración.
b) En el recocido isotérmico se detiene el recocido justamente bajo A
y perlita y la eliminación de la posible formación de bainita.
1, asegurando así la completa transformación de ferrita
Recocido intermedio.-
crítica inferior A
disuelve la cementita, pero mejora la ductilidad y reduce las tensiones residuales, en todos los aceros endurecidos
por medios mecánicos (acritud).
Es un recocido subcrítico que se realiza a temperaturas por debajo de la temperatura1, normalmente entre 950ºF (510ºC) y 1300ºF (704ºC); no afina los granos ni
Esferoidización.-
maquinabilidad. Consiste en el calentamiento de la perlita fina durante mucho tiempo, justo por debajo
de la temperatura crítica inferior del acero, seguido de un enfriamiento muy lento, lo que permite obtener
perlita globular.
Es un tipo de recocido subcrítico, utilizado para ablandar el acero y mejorar su
Normalizado.-
por encima de la temperatura crítica superior, el acero a normalizar se enfría en el aire, en lugar
de hacerlo en un horno con atmósfera controlada.
En algunas ocasiones la normalización se emplea como un proceso de homogeneización para asegurar
la eliminación de la historia previa de fabricación o de tratamientos térmicos anteriores.
El normalizado alivia las tensiones internas provocadas por el proceso de elaboración y produce suficiente
ductilidad y maleabilidad, para gran diversidad de aplicaciones; facilita materiales más duros y
tenaces que los que salen del recocido de regeneración.
Es una variante del recocido de regeneración, ya que una vez realizado el calentamiento
Temple
austenita y posteriormente se enfrían rápidamente en un líquido, como agua o aceite.
En el proceso del templado la austenita se transforma en martensita, que se forma a temperaturas
inferiores a los 400ºF (204ºC), dependiendo del contenido en C y del tipo y cantidad de los elementos de
aleación contenidos en el acero. Es la forma más dura de los aceros tratados térmicamente y tiene alta
resistencia y buen comportamiento frente a la abrasión.
.- Este proceso tiene lugar cuando los aceros de alto contenido en C se calientan para producir
VII.-223
Revenido.-
al aire; es un tratamiento secundario que consiste en suprimir la fragilidad permitiendo ciertas
transformaciones en la estructura del acero templado; consiste en un calentamiento por debajo de la
temperatura crítica inferior A
Con el revenido se pierde algo de dureza pero se incrementa la tenacidad y se reducen y eliminan las
tensiones inducidas por el temple instantáneo.
Cuanto más altas sean las temperaturas del revenido, tanto más blandos y tenaces serán los aceros
sometidos al proceso, que pueden llegar a ser frágiles cuando se efectúa un enfriamiento lento a partir
de ciertas temperaturas; para solventar este problema, éstos se someten a un enfriamiento instantáneo
desde la temperatura del revenido.
Es un proceso que se aplica después de la normalización o del temple, para aceros enfriados1 seguido de un enfriamiento con la velocidad que se desee.
Tratamientos térmicos posteriores a la elaboración.-
unas condiciones más estables y libres de tensiones residuales Entre ellos se encuentran los tratamientos
posteriores al soldeo (suavizado de soldaduras), los de postconformado y el de solubilización.
Frecuentemente se aplican para restaurar
VII.4.- PROCESOS DE FABRICACIÓN
Cualquier trabajo mecánico que se realiza sobre un metal por debajo de su temperatura de recristalización,
se identifica como trabajo en frío.
El trabajo en caliente es el trabajo mecánico efectuado a una temperatura superior a la de recristalización;
el recocido que se efectúa a esta temperatura, retrasa el endurecimiento provocado por los
medios mecánicos (acritud).
La temperatura de recristalización depende de la velocidad de deformación. Si el material se ha formado
a una temperatura menor que la de recristalización, el proceso es un trabajo en frío que incrementa
la dureza, la resistencia a la tracción y el límite de fluencia del acero, y reduce su ductilidad, o lo que es
lo mismo, el alargamiento y la sección transversal.
La magnitud del endurecimiento por acritud con el consiguiente crecimiento de los granos en la dirección
del trabajo, depende de la extensión del trabajo en frío y del propio material; si el endurecimiento
por acritud provocado por las necesarias operaciones de conformación llega a ser excesivo, cualquier
operación mecánica posterior puede provocar la fractura del material.
Las diversas variedades que existen del trabajo en caliente, comprenden la forja, laminación, prensado,
moldeo por inyección, punzonado, recalcado, curvado y doblado.
En la mayoría de estas operaciones el material se comprime hasta lograr el perfil deseado, introduciendo
todas ellas algún grado de orientación en la estructura interna.
Si el material experimenta transformaciones de fases u otros procesos de recristalización, se mantiene
algún grado de orientación y afecta a los óxidos, sulfuros y otras inclusiones no disueltas durante el
trabajo en caliente o el tratamiento térmico correspondiente. Según sea la aplicación dada al acero, la
orientación resultante puede que no tenga ningún efecto que resulte útil o que sea perjudicial; por ejemplo,
las chapas laminadas que frecuentemente tienen propiedades inferiores en la dirección de su espesor,
debido a la retención de inclusiones segregadas en el plano medio y a la orientación predominante de
sus granos en las direcciones de longitud y anchura, puede provocar un tipo de fallo conocido como desgarro
laminar, si no se direcciona convenientemente la solicitación del material.
La laminación en caliente de los aceros al C y de baja aleación, se utiliza frecuentemente para configurar
las secciones de calderines y recipientes a presión, siempre a temperatura superior a A
Antes de la conformación se necesitan unas temperaturas y unos tiempos de calentamiento para
3.
VII.-224
asegurar que los productos resultantes tengan el tamaño de grano fino deseado y, consecuentemente,
una buena tenacidad y evitar que se produzca una excesiva oxidación superficial.
OPERACIONES DE TRABAJO EN FRÍO
y son la laminación, forja, curvado o doblado y estampado.
La
y diámetro del equipo disponible de laminación; este proceso se aplica en aceros al C, y una vez
completada la construcción del calderín cualquier tratamiento se combina, con el suavizado de soldaduras.
El
puede hacer por abocardado del tubo en el interior de un manguito torneado interiormente en el cuerpo
del colector o del calderín. Su resistencia depende de la interferencia mecánica entre el tubo expandido
que se deforma plásticamente, y el manguito en el cuerpo que se deforma elásticamente. El forjado en
frío de componentes de caldera se limita normalmente a la conformación final de carcasas.
Los pasadores roscados que se usan en calderas pueden ser
.- Se utilizan en la elaboración de componentes de calderas,laminación de chapas en frío para fabricar los cuerpos de calderines, viene limitada por la capacidadforjado en aplicaciones de baja presión, como la conexión de tubos al colector o al calderín, se
Con cabeza conformada en fr ío
Con los filetes de rosca elaborados en fr ío
El efecto de estas operaciones de conformación se minora con tratamientos térmicos, que se detallan
en las especificaciones de los pasadores; no obstante, los tratamientos no pueden eliminar las diferencias
microestructurales entre la parte conformada en frío y el resto del pasador, lo que es probable
en
aceros inoxidables austeníticos
aleaciones de Ni
, porque no se transforman durante el tratamiento térmico.
En determinados ambientes acuosos los pasadores elaborados con estos materiales suelen romper
en la zona que se encuentra entre la cabeza, conformada en frío, y el cuerpo del pasador.
El
las calderas. Con algunas excepciones, los tubos y las tuberías de aleaciones ferríticas, en general, no se
tratan térmicamente después del curvado. Los aceros inoxidables austeníticos y las aleaciones de Ni
que se utilizan en las calderas de alta presión, se exponen frecuentemente a temperaturas elevadas,
siendo la energía de deformación del curvado en frío suficiente para provocar la recristalización hasta un
tamaño de grano fino, en el transcurso del tiempo en servicio
La temperatura en servicio es insuficiente para inducir el crecimiento del tamaño de grano; el material
con grano de tamaño fino tiene menor resistencia (fluencia) a alta temperatura. Para impedir que
al efectuar curvados en frío en estos materiales se presente esta situación, se hacen tratamientos térmicos
a alta temperatura (tratamientos de disolución) para estabilizar la estructura de grano grueso.
curvado en frío se realiza en muchas construcciones de tubos y tuberías que forman parte de
VII.5.- SOLDADURA
La soldadura es la unión de dos o más piezas de metal mediante la aplicación de calor y/o presión,
con o sin la adición de un metal de aporte, para producir una unión local por medio de la fusión o recristalización,
a través de la correspondiente interfaz. La unión de partes a presión y de partes no presurizadas
con otras partes a presión, se realiza casi siempre por medio de una junta soldada, sobre todo en
calderas de alta temperatura y presión, en las que las condiciones de funcionamiento son demasiado severas
para la gran mayoría de las juntas o uniones mecánicas (bridas atornilladas con empaquetadura
metálica) y de las juntas o uniones de bronce soldadas.
Hay muchos procesos de soldeo, siendo el más utilizado para unir partes a presión, el de fusión con
aporte de metal, con poca o ninguna presión. En la Fig VII.9, se presenta una clasificación de los proce-
VII.-225
sos de soldeo, observándose la gran variedad existente.
Metales de aportación.-
proceso de soldeo, la junta soldada es un compuesto heterogéneo mecánica y químicamente, que desde
un punto de vista metalúrgico, consta de seis regiones distintas, Fig VII.10
A consecuencia de las características de la distribución del calor en el
- Zona compuesta
- Zona pura
- Interfaz de soldadura
- Zona parcialmente fundida
- Zona afectada térmicamente
- Material base no afectado
Fig VII.9.- Clasificación de los procedimientos de soldeo
La
en el proceso y del metal base del material a soldar.
La
con composición igual a la del metal base; forma una capa límite de metal base fundido y solidifica antes
de mezclarse con la zona compuesta; el conjunto
de las zonas compuesta y pura se identifica
como zona de fusión.
La
que separa el metal base no fundido y el metal
solidificado de la soldadura, Fig VII.10.
La
el metal base contiguo a la interfaz de soldadura,
y en ella se pueden presentar algunas fusiones puntuales de componentes, con inclusiones o impurezas
de bajo punto de fusión.
La
sometida a puntas de temperatura lo suficientemente elevadas como para poder producir algunos cambios
microestructurales en estado sólido.
La
zona compuesta está constituida por la mezcla totalmente fundida del metal de aporte que intervienezona pura es una estrecha lámina alrededor de la zona compuesta, al borde del baño de fusión yinterfaz de soldadura configura una fronterazona parcialmente fundida se presenta enzona térmicamente afectada es la porción de metal base en la junta de soldadura, que ha estadozona de material base no afectado es la parte que no ha sufrido cambio metalúrgico alguno.
FACTORES QUE AFECTAN A LA CALIDAD DE LA SOLDADURA
Contenido en ferrita
en estado sólido hasta unos 1800ºF (980ºC), son susceptibles de fisuraciones y microfisuraciones
en caliente, que se minimizan añadiendo un pequeño porcentaje de ferrita sobre la soldadura.
.- Los metales soldados con aceros inoxidables austeníticos, cuando se enfrían
VII.-226
Fig VII.10.- Zonas metalúrgicas desarrolladas en una soldadura
Grafitización.-
plástica y aparecen altas tensiones residuales en la junta soldada.
En los aceros al C y al C-Mo que no contienen potentes formadores de carburos, las zonas de deformación
puntual próximas a las de las soldadura afectadas térmicamente, facilitan espacios que pueden
asumir más fácilmente el normal incremento de volumen, debido a la descomposición de la cementita en
grafito; a unos 900ºF (482ºC), los nódulos de grafito pueden precipitar en estas áreas de deformación.
Cuando se observan muestras metalográficas de secciones transversales de estos aceros al C-Mo,
los nódulos aparecen dispuestos en forma de grafitización en cadena; en estas soldaduras la unión entre
el grafito y la matriz de ferrita es muy baja, mucho menor que entre ferrita y perlita o entre ferrita y cementita.
Debido a este fenómeno se han producido roturas en tuberías de vapor sobrecalentado fabricadas
con aceros al C-Mo, fallos que se produjeron sin previo aviso, ya que no estuvieron precedidos de la
clásica deformación de las juntas; los riesgos fueron significativos, por lo que se ha restringido la fabricación
de tuberías con acero al C-Mo destinadas al sistema de vapor sobrecalentado.
Durante el enfriamiento y contracción de la soldadura, se produce una deformación
Tratamientos térmicos posteriores al soldeo
junta soldada tiene tensiones residuales que, a la temperatura ambiente, son comparables al límite
elástico del metal base. El suavizado de estas tensiones residuales mediante tratamiento térmico posterior
al soldeo, se realiza calentando la estructura soldada hasta una temperatura lo suficientemente
alta como para reducir el límite elástico del acero a una fracción de su valor a temperatura ambiente.
Cuando un acero ya no puede soportar el nivel de las tensiones residuales, sufre una deformación
plástica hasta que las tensiones se reducen al valor del límite elástico, a la temperatura correspondiente;
la Fig VII.11 muestra el efecto del suavizado de tensiones en varios aceros.
.- Una vez finalizado el proceso de enfriamiento, la
Fig VII.11.- Efecto de la temperatura y el tiempo, en el suavizado de aceros al C y en las tensiones residuales de aceros
La temperatura alcanzada durante el tratamiento térmico de suavizado tiene un efecto mucho
más importante que el tiempo durante el cual se mantiene la estructura soldada a dicha temperatura.
Cuanto más próxima se mantenga la temperatura de suavizado a la temperatura de recristalización,
tanto más efectiva es la disminución de las tensiones residuales, siempre en el supuesto de que se
empleen los adecuados gradientes de calentamiento y enfriamiento.
Desgarro laminar.-
hay que considerar el efecto metalúrgico de las tensiones residuales,
fenómeno conocido como desgarro laminar, que puede ocurrir cuando se
suelda un elemento a una placa, configurando una unión en T, Fig VII.12.
Esto se presenta cuando la placa contiene sopladuras, rechupes, inclusiones
u otros defectos de segregación interna, paralelos a la superficie de la
En el conjunto de las calderas y recipientes a presión,
VII.-227
Fig VII.12.- Desgarro laminar
placa. En tales circunstancias, las tensiones residuales de la contracción pueden ser suficientes para
producir un desgarro paralelo a la superficie de la placa de la unión en T configurada.
Unión de metales distintos.-
un acero austenítico y otro ferrítico. Estas uniones han presentado fallos en las propias soldaduras, desde
que se introdujeron los aceros inoxidables austeníticos en las construcciones tubulares de los sobrecalentadores
en las calderas.
Para reducir estos problemas, durante mucho tiempo se utilizaron materiales de aporte con base de
Ni, pero ésto no se puede considerar una solución definitiva; el fallo de estas soldaduras se provoca por:
En determinados casos se puede necesitar una unión soldada entre
- Las tensiones inducidas por el sistema
- La posición de sus componentes
- El curvado de elementos
La mejor alternativa sigue siendo evitar la soldadura entre metales distintos, mediante el empleo de
materiales aleados ferríticos de alta resistencia, como es el (9Cr +1Mo +V), para tubos y tuberías, siempre
que lo permitan las condiciones particulares del proyecto.
VII.6.- MATERIALES UTILIZADOS EN LA FABRICACIÓN DE CALDERAS
Aceros.-
son aceros; gran parte de los componentes se fabrican con aceros al C que se emplean para la mayoría
de las partes a presión y de partes no presurizadas, como calderines, colectores, tuberías, revestimientos,
conductos de aire y humos, etc.
Según su contenido en C, los aceros se definen en la forma:
Casi todos los materiales utilizados en la construcción de calderas y recipientes a presión
Aceros con C inf erior a 0 ,15% C
Aceros con C medio - bajo entre 0 ,15% y 0 ,23% C
Aceros con C medio - alto entre 0 ,23% y 0 ,44% C
Aceros con C alto sup erior a 0 ,44% C
Desde el punto de vista del diseño, se consideran aceros altos en C los que tienen más de 0,35%C, y
no se deben utilizar en partes a presión de construcciones soldadas.
Los aceros de bajo contenido en C tienen una utilización muy extendida en la construcción de partes
de baja presión, en las que la resistencia no constituya un factor significativo de diseño. En la mayor
parte de las aplicaciones estructurales y en casi todas las partes a presión, predominan los aceros de C
medio con unos contenidos entre 0,20% y 0,35% C.
Los aceros al C se designan también como:
Calmados
Semicalmados y efervescentes
De efervescencia interrumpida

, según sea el punto del proceso
de refino del acero en el que se haya interrumpido la reacción C-O
Durante el proceso de fabricación del acero, el O
para formar un gas. Si el O
desoxidantes, antes o durante la fundición, los productos gaseosos se continúan desprendiendo durante
la solidificación en el molde correspondiente. La cantidad de gases desprendidos durante la solidificación
determina el tipo de acero y el porcentaje de C que queda en el mismo.
2.2 introducido para su refino se combina con el C2 introducido no se elimina, o se combina con adición de Si, Al u otros agentes
Acero calmado
reposo dentro del molde.
Los aceros que se emplean en la construcción de calderas son calmados.
.- No se desprenden gases durante la solidificación, permaneciendo el acero líquido en
Aceros semicalmados y efervescentes
la cantidad de gases desprendidos.
.- Son aquellos en los que se produce un incremento gradual en
VII.-228
Los aceros microaleados son aceros al C a los que se les añade pequeñas cantidades (inferiores al
1%) de elementos de aleación Va y Bo, para obtener resistencias más elevadas; estos aceros se usan
muy poco para partes a presión, pero están ganando terreno como aceros estructurales.
Los elementos residuales están presentes en los aceros en pequeñas cantidades, y son distintos de
los que se añaden deliberadamente durante el proceso de fabricación del acero, como elementos de aleación
o como agentes desgasificadores; su origen está en la chatarra o mineral de Fe que se utiliza en la
carga del horno; algunos elementos residuales encontrados en los aceros al C son: Cu, Ni, Cr, Va, Bo, Sb,
Sn, S y P cuyas concentraciones admisibles se limitan en las respectivas especificaciones, porque degradan
la ductilidad.
Los elementos residuales Sb, Sn, S y P intervienen de forma importante en la fragilidad por revenido.
Históricamente, los elementos residuales no se eliminaban, con excepción del S y P, ni se indicaban
en los informes analíticos, pero actualmente hay elementos residuales que tienen límites fijados en sus
especificaciones.
Los aceros de baja y media aleación son los que siguen en importancia, dentro de los aceros que se
usan en la construcción de calderas; se caracterizan por contenidos de Cr hasta el 11,5% y de cantidades
menores de otros elementos; las combinaciones más comunes suelen ser:
C +
12
Mo ;
12
Cr +
12
Mo ; 1 Cr +
12
Mo ; 1
14
Cr +
2
1Mo + Si ; 2 14
Cr + 1 Mo ; 9 Cr + 1 Mo + V + Ti + B
Acero (C + 0,5 Mo). -
tipo (C + 0,5 Mo) tiene muchas aplicaciones en componentes a presión, en el intervalo de temperaturas
Debido a la excepcionalidad del Mo para mejorar la resistencia del acero al C, el
700º F a 975º F
271º C a 524ºC
. Hay que tener en cuenta la tendencia de estos aceros a la grafitización a temperaturas
mayores de 875ºF (468ºC).
Acero (C +Mo).-
contra la seguridad, los tubos de (C-Mo) tienen muchas aplicaciones hasta 975ºF (524ºC), por su limitada
oxidación.
Dado que el Al provoca la grafitización, el acero (C-Mo) es normalmente un acero calmado por el Si
y, en consecuencia, tiene una estructura de grano grueso.
Los componentes de (C-Mo) tienen tendencia a fallos por fragilidad a bajas temperaturas, lo que durante
el servicio no constituye ningún problema, por cuanto las aplicaciones se realizan en el campo de
las altas temperaturas.
La resistencia a la oxidación de los aceros de baja aleación se incrementa con el contenido en Cr.
En el interior de la caldera, donde los fallos por grafitización no representan un riesgo
Acero (0,5C +0,5Mo).-
que el (C-Mo) al que ha desplazado en muchas aplicaciones
Se desarrolló en respuesta a los fallos por grafitización que se presentaban en tuberías de (C-Mo) y
se ha comprobado que basta la adición de 0,25% Cr para inmunizar el acero frente a la grafitización.
Este es el más común, dentro de la familia del (Cr-Mo), que tiene la misma resistencia
Aceros
1Cr + 0,5Mo
1,25Cr + 0,5Mo + Si
.-
aceros casi idénticos; el que lleva Si es más resistente a la oxidación.
Un análisis detallado indica que el (1Cr + 0,5Mo) es más resistente entre
La familia de aceros de la serie (Cr-Mo), está formada por estos dos
800º F a 1050º F
427ºC a 566ºC
, por lo
que en este intervalo de temperaturas desplaza al (1,25Cr + 0,5Mo + Si).
Acero (2,25Cr +1Mo).-
Este acero constituye la aleación óptima para resistencia a las altas tempe-
VII.-229
raturas, en el intervalo
975º F a 1115º F
524ºC a 602ºC
Aceros
3Cr + 1Mo
5Cr + 0,5Mo
9Cr + 1Mo

.-
cuando se desea una mayor resistencia a la oxidación y tolerar menores solicitaciones.
La mayor templabilidad al aire de estos aceros, que crece con el contenido de Cr, complica los procesos
de fabricación y encarecen su utilización.
Las aleaciones (Mn - Mo) y (Mn - Mo - Ni) tienen una limitada utilización en generadores de vapor que
queman combustibles fósiles; su resistencia es ligeramente mayor que la de los aceros al C, lo que induce
a su empleo en grandes componentes, con una importante relación
Estas aleaciones que contienen del 3 al 9% Cr son menos resistentes, y se aplican
Resistencia
Peso
los ha hecho muy populares en su aplicación para vasijas de reactores nucleares.
; su mayor tenacidad
Aleaciones altas de (Cr-Mo).-
Como consecuencia de su tendencia a la fragilidad, los aceros martensíticos
9 Cr + 1Mo
12Cr + 1Mo
, no se han aplicado mucho en la construcción de recipientes a presión y tuberías de
vapor sobrecalentado en plantas energéticas; el (9Cr + 1Mo) tiene mayor resistencia, tenacidad y soldabilidad,
a temperaturas hasta 1200ºF (649ºC), gracias a la adicción de elementos aleados y a la microestructura
totalmente bainítica resultante del normalizado y revenido, para utilizarlo en los tubos de
generadores de vapor, que trabajan con líquidos refrigerantes en reactores nucleares reproductores.
La aleación (9Cr + 1Mo + Va + Ti + B) tiene el doble de resistencia que la (2,25Cr + 1Mo) a 1000ºF
(539ºC) por lo que la está desplazando en las aplicaciones para colectores de alta presión; los recipientes
construidos con este acero:
- Son más delgados
- Tienen tensiones residuales más reducidas
- Dan lugar a menor número de fallos asociados a la fatiga por fluencia, en comparación con los aceros para colectores
2 ,25Cr + 1Mo
1,25Cr + 1,25Mo + Si
- Son más resistentes que el inoxidable austenítico hasta los 1125ºF (607ºC), por lo que este acero se está sustituyendo
también en aplicaciones para tubos de alta presión
En la industria europea de calderas se utilizan con frecuencia el
12Cr + Mo
12Cr + Mo + Va
Todas las tentativas que se han hecho para reducir el uso de aceros inoxidables en calderas, por su
alto coste, se han desechado porque la resistencia a la corrosión que ofrecen los hacen favoritos. Los
aceros inoxidables aportan la posibilidad de operar a temperaturas superiores a 1100ºF (583ºC), aunque
el acero (9Cr + 1Mo + Va + Ti + B) puede restringir tal posibilidad.
Para temperaturas algo inferiores, del orden de 1050ºF (566ºC), los aceros inoxidables desplazan
con frecuencia a los aceros ferríticos (Cr-Mo), en aquellos casos en que se utilice una menor caída de
presión, por tener menor espesor las paredes de los componentes.
Aceros austeníticos inoxidables.-
partes de calderas a presión, son:
Las aleaciones comunes de aceros inoxidables que se utilizan en
304 (8Cr + 8Ni) ; 321 (18Cr + 8Ni + Ti) ; 347 (18Cr + 8Ni + Nb) ; 316 (16Cr + 12Ni + 2Mo) ;
309 (25Cr + 12Ni) ; 310 (25Cr + 20Ni ) ; 800 (20Cr + 30Ni)
Desde el punto de vista tecnológico, la aleación (20Cr + 30Ni) es no ferrosa ya que tiene menos del
50% de Fe; sin embargo, como es similar a los demás aceros inoxidables, se puede considerar como uno
más del grupo. Como a alta temperatura la resistencia mecánica de estos materiales depende de un
VII.-230
moderado contenido en C y de un tamaño de grano grande, los materiales con estas cualidades se especifican
para servicios a alta temperatura.
Las aleaciones anteriores, tras una prolongada exposición a temperaturas comprendidas entre
1050ºF a 1700ºF
566ºC a 972ºC
, son susceptibles de formar la fase sigma, que disminuye la tenacidad y la ductilidad,
pero no tiene influencia sobre la resistencia mecánica o la corrosión.
Cuando se especifican materiales con resistencia mejorada frente a la formación de la fase sigma,
se incrementa su coste sin un incremento paralelo de la fiabilidad.
El acero (18Cr + 8Ni + Ti) es un acero estabilizado y tiene importantes aplicaciones a baja temperatura,
pero la estabilidad del carburo de Ti hace muy difícil cualquier tratamiento térmico. Además se
suele obtener una estructura que tiene, a la vez:
- Grano grueso para resistencia a la fatiga por fluencia a alta temperatura
- Carburos estabilizados para resistencia de sensibilidad
Se le puede aplicar un tratamiento térmico de estabilización a baja temperatura, 1300ºF, (704ºC),
seguido de un tratamiento de la disolución para lograr una buena resistencia a la fluencia.
En el acero (18Cr + 8Ni + Nb) la estabilidad de los carburos de Nb es mejor; esta aleación se puede
tratar térmicamente para alcanzar resistencia a la fluencia, por lo que se emplea mucho en altas temperaturas.
El contenido en Mo del acero (16Cr + 8Ni + 2Mo) incrementa la resistencia a la corrosión alveolar o
picado a bajas temperaturas; este acero tiene buena resistencia a la termofluencia, pero no se suele
usar por su elevado coste.
Todas estas aleaciones de aceros aleados austeníticos, si se utilizan a temperaturas superiores a
1000ºF, (538ºC), requieren de un tratamiento térmico a alta temperatura después de su conformado en
frío. La energía interna de deformación durante el trabajo en frío puede llevar en algunos casos a la recristalización
y a un grano fino con una modesta resistencia a la fluencia. Estos aceros son susceptibles
de fractura por corrosión en ciertos ambientes acuosos, por lo que está prohibida su utilización en superficies
mojadas por agua. Los tipos (25Cr + 12Ni) y (25Cr + 20Ni) tienen prácticamente la misma resistencia
y el mismo comportamiento frente a la corrosión.
Las aleaciones altas en Ni están más afectadas por los ataques de sulfuración.
Todos estos aceros se utilizan en partes no presurizadas.
Los aceros inoxidables ferríticos contienen al menos un 10% de Cr y tienen una estructura de C + ferrita.
Los aceros inoxidables martensíticos son ferríticos en las condiciones del recocido, y martensíticos después del enfriamiento
rápido desde la temperatura superior hasta la crítica.
Ninguno de los aceros inoxidables ferríticos se utiliza en partes a presión o en partes que soporten
cargas de los componentes de generadores de vapor a elevada temperatura, a la que tienen buena resistencia
a la oxidación, debido a que son susceptibles de:
algún tipo de fragilidad
reacciones de precipitación de fases
fragilidad cáustica a 885º F (474ºC)
formación de fase sigma
Estos aceros se utilizan en espárragos y clavos para sujetar refractarios y protuberancias de absorción
de calor, como son los escudos térmicos; son difíciles de soldar sin que se produzcan fisuras.
Se han desarrollado aceros dúplex con una mezcla de estructuras austenítica y ferrítica, que se
usan en aplicaciones para hacer frente a la corrosión a baja temperatura, como la que se presenta en
los equipos de desulfuración húmeda, empleados como lavadores de gases de calderas.
Materiales bimetálicos.-
Existen componentes bimetálicos, de una cierta aleación, como compo-
VII.-231
nente principal para soportar cargas (chapa y tubos), junto con una chapa de revestimiento exterior de
otra aleación como elemento resistente a la corrosión.
También se han desarrollado técnicas para revestir la soldadura de una aleación, con otra aleación
diferente.
Los primeros tubos bimetálicos, que tuvieron un amplio uso en calderas, estaban formados por:
- Un material base de aleación (50%Cr + 50%Ni)
- Un revestimiento de aleación (20Cr + 30Ni)
La combinación usada actualmente como tubo bimetálico, en las
en la industria papelera
Otra combinación en tubos bimetálicos es la del acero al C con (1,5Cr + 1,5Mo) como base, con un
revestimiento de aleación (42Ni + 21,5Co + 5Mo + 2,3Cu), habitual en calderas que queman residuos urbanos.
calderas de licor negro y de recuperación, está compuesta por acero al C como base, y por el acero (8Cr + 8Ni).
Fundiciones
ser de tres tipos: fundición blanca, fundición gris y fundición dúctil.
.- Los tipos de fundición de Fe empleados en las partes a presión de las calderas, puede
Fundición blanca.-
fractura; el C está presente en forma de cementita (Fe
difícil mecanización.
El Fe moldeado difiere de la fundición blanca en el proceso de fabricación, pero su comportamiento
es similar. El Fe moldeado se funde en el interior de moldes metálicos, que provocan un rápido enfriamiento
en las superficies de contacto, con la consiguiente formación de cementita en dichas superficies,
por lo que la estructura de la fundición blanca, o del Fe moldeado, se caracteriza por su gran resistencia
al desgaste y la abrasión.
Existen aleaciones que contienen una serie de fundiciones blancas enriquecidas con Ni, que se emplean
en molinos pulverizadores y en partes de otros equipos que requieren resistencia al desgaste;
siempre se han distinguido por una muy notable uniformidad y muy alta calidad (ELVERITE).
La VAM-20 es una fundición blanca de reciente desarrollo, con 20% Cr, con carburos en una matriz
martensítica:
Se denomina así por la estructura plateada que presenta la superficie de su3C) y es el responsable de su dureza, fragilidad y
Es de gran dureza y excelente ductilidad en comparación con otras fundiciones blancas
Su dureza y resistencia al desgaste es superior a la de las aleaciones ( ELVERITE )
Siempre se emplea con un tratamiento térmico que garantice su buena ductilidad y uniformidad. Se
usa en pulverizadores de molinos de carbón.
El Fe fundido maleable es una fundición blanca tratada térmicamente para cambiar la cementita
en C libre, o en C revenido (nódulos de grafito).
Fundición gris.-
de grafito, que forman una multitud de entalladuras y discontinuidades en la matriz de Fe. El aspecto
de su superficie de fractura es de color gris, porque quedan a la vista escamas de grafito. La resistencia
mecánica del Fe aumenta conforme decrece el tamaño de grano del grafito y crece la cantidad de
cementita. La fundición gris es fácilmente mecanizable, ya que el C en forma de grafito:
Es el tipo más utilizado en la que el C se encuentra en estado libre, en forma de escamas
- Se comporta como un lubricante, cuando esta fundición se mecaniza
- Facilita las discontinuidades que rompen las microplaquetas en cuanto éstas se forman
Las fundiciones grises actuales tienen un amplio campo de resistencias a la tracción, que van de
20000 a 90000 psi
38 a 621 MPa
, siendo aptas para alearse con Ni, Cr, Mo, Va y Cu
Fundición dúctil.-
Es un producto férreo con alto contenido en C, tratado con Mg, en el que existe
VII.-232
grafito en forma esferoidal o en partículas encastradas; es similar a la fundición gris, en cuanto al punto
de fusión, fluidez y mecanización, pero posee propiedades mecánicas superiores; está especialmente indicada
para el moldeo por inyección y fundición centrifugada.
Mediante métodos especiales se puede obtener una superficie resistente a la abrasión, conteniendo
carburos y el interior muy dúctil.
Este material no se usa en las partes a presión de las modernas calderas de vapor para plantas de
generación de energía, pero sí en equipamientos complementarios, como componentes de alimentadores
y anillos de molienda de pulverizadores.
Aceros colados.-
propios de soportes y alineación de calderas y para algunas partes a presión que tengan perfiles muy
complejos. Las aleaciones de acero fundido cubren un campo que va desde el acero al C y (2,25Cr +
1Mo), hasta (25Cr + 12Ni) y (50Cr + 50Ni).
Los aceros colados, o fundidos, se utilizan en muchas aplicaciones de accesorios
Materiales cerámicos y refractarios.-
abrasión. Muchos de los antiguos diseños de hogares estaban conformados con paredes de ladrillos que
en la actualidad se han sustituido por paredes membrana de acero; sin embargo, existen un gran número
de instalaciones de paredes membrana, que cuentan con una protección de refractario que puede estar
apisonado, enlucido o fundido sobre ellas.
Los revestimientos de refractario se utilizan en hogares que, durante su funcionamiento, están expuestos
a manipular cenizas fundidas.
En calderas con
Se usan por sus propiedades aislantes y resistentes a la
quemador ciclón (hogar ciclón)
cenizas fundidas
, se utilizan productos refractarios, cuya base es el
carburo de Si, alúmina o Cr, que se aplican proyectados o enlucidos.
Existe un producto cerámico de alúmina de alta densidad, que se utiliza en los codos de tuberías de
aire primario + carbón pulverizado
:
Como revestimiento contra la erosión
En componentes internos de pulverizadores de carbón
En válvulas mariposa de los molinos

, con vistas a reducir
la abrasión y el coste de mantenimiento (Cera-VAM).
En los equipos de filtrado de gases calientes en las plantas de ciclo combinado, se introducen productos
cerámicos que
e lim inan
separan
las partículas en suspensión que llevan los humos de las calderas de lecho
fluidificado, antes de que entren en la turbina de gas.
VII.7.- ENVOLTURAS Y PROTECCIONES
Sobre las partes metálicas de una caldera se pueden aplicar, por chorreado, muchos tipos de delgadas
envolturas metálicas, protecciones y revestimientos que, generalmente, suelen contener diversos
carburos. Estas envolturas se pueden aplicar también sobre otras partes de calderas expuestas a la
erosión y a la corrosión causadas por los productos de la combustión, mediante:
- Metalización por soplete
- Plasma
- Procesos especiales de combustión de alta velocidad de un combustible con O
2
Una aplicación particular es la relativa a las superficies de las calderas de lecho fluidificado, expuestas
a la erosión por partículas sólidas que arrastran los gases a alta velocidad.
Estos procedimientos son de mantenimiento, para proteger y reparar componentes que hayan experimentado
desgastes; para ello hay que
proteger la superficie
efectuar un cuidadoso control del proceso
, para poder garantizar
que las envolturas queden bien adheridas, de forma que en toda la superficie tratada, se tengan la densi-
VII.-233
dad adecuada y el espesor recomendable.
Cromado.-
y a la exfoliación.
Las partes a presión que conducen vapor a alta temperatura, sufren siempre oxidación en su superficie
interna; cuando la capa de óxido alcanza el espesor suficiente, el óxido se desprende de la superficie
y sus partículas se pueden arrastrar a la turbina de vapor, provocando daños por erosión que conducen
a pérdidas de rendimiento y a situaciones de riesgo en los equipos. Para minimizar estos efectos, no
se precisa un cromado perfecto y total de la superficie interna de las tuberías, ya que con cromar el 95%
de la superficie susceptible de exfoliarse, se puede lograr una reducción importante de partículas exfoliadas,
del orden de la vigésima parte de las presentes sin cromado.
En los procesos de cromado por deposición de vapores químicos, las superficies a envolver se cubren
con una mezcla que contiene un polvo metálico que constituye la envoltura; por ejemplo, el Cr va en una
sal halógena y el polvo refractario utilizado es alúmina; cuando la parte a tratar y la mezcla se calientan
a una temperatura suficientemente alta, la sal se descompone y el polvo metálico reacciona con el
haluro para formar un gas, CrCl
mediante la cual un átomo de Fe sustituye al Cr en el gas y el Cr se deposita en la superficie. El proceso
se mantiene durante el tiempo y temperatura necesarios, para que el Cr se difunda en la superficie
del material.
Cuanto más Cr se deposite en la superficie, más se incrementa la estabilidad de la base ferrítica por
lo que el frente de dilución avanza en la matriz, produciendo una zona de difusión con un contenido en Cr
casi constante; el espesor de esta zona de difusión es de
Consiste en obtener una superficie con alto contenido en Cr, que sea resistente a la oxidación2 ó CrBr2, produciéndose sobre la superficie una reacción de intercambio
0,002"
0,051 mm
÷ 0,025"÷ 0,640 mm
A la temperatura de cromado el (2,25Cr+1 Mo) es austenítico; en un sustrato, la capa de difusión
tiene un contenido mínimo del 13% Cr.
En la actualidad el cromado se aplica a las superficies exteriores de las partes de calderas a presión,
para reducir y prevenir la corrosión y los daños por fatiga, requiriéndose una envoltura prácticamente
perfecta, con espesores mucho mayores, que resista ambientes externos hostiles.
Aluminización
empleado para proteger diversos componentes de recipientes a presión instalados en plantas de procesos
petroquímicos. Como la alúmina es soluble en el vapor a alta presión y temperatura, se puede
arrastrar por éste hacia la turbina, en la que se produciría su deposición al producirse la caída de presión
y temperatura en el proceso de expansión, lo que no es conveniente.
.- Es un proceso de deposición de vapores químicos, similar al cromado, que se ha
Envolturas refundidas.-
que son revestimientos aplicados con pistola. El material de estas envolturas está constituido
por carburos de W-Cr, y se aplica en las paredes tubulares de membrana, en los revestimientos básicos
de hornos para afinar aceros con O
Para la protección contra la corrosión se utilizan envolturas metálicas refundidas,2, etc.
Galvanización.-
Consiste en aplicar una capa de cinc:
Por inmersi ón en un baño de este metal
Mediante técnicas de electrodeposici ón
La galvanización se aplica a componentes estructurales externos de la caldera, cuando el montaje
de la misma tiene lugar en una atmósfera marina o en complejos petroquímicos; para evitar daños estructurales
debidos a la fragilidad del plano de exfoliación del cinc, los componentes galvanizados se deben
mantener alejados de las zonas de alta temperatura.
VII.-234
VII.8.- PROPIEDADES MECÁNICAS A BAJA TEMPERATURA
En las calderas se utilizan aceros que deben tener unas propiedades determinadas, para satisfacer
las necesidades de fabricación y de funcionamiento del componente que lo incorpora, por lo que hay que
realizar ensayos para demostrar que el acero en cuestión tiene estas propiedades.
Las normas ASTM establecen
La estandarización de las especificaciones de las muestras a ensayar
Los métodos de ensayo
La frecuencia de los mismos

Ensayo de tracción.-
de romper; la relación entre la carga por unidad de sección transversal (tensión) y el correspondiente
alargamiento, (aumento de longitud en % de la longitud primitiva), se representa en un diagrama de coordenadas
tensión-alargamiento, Fig VII.13 y 14. El metal en forma de probeta de material dúctil, con
composición homogénea y sección recta uniforme, sometido a un esfuerzo longitudinal, empieza a alargarse
y durante un intervalo de carga creciente se registra un alargamiento proporcional a la tensión
correspondiente.
Con él se determina la carga máxima que puede soportar un material antes
Fig VII.13.- Diagrama de tracción (tensión/alargamiento), para el acero al C 1030
La zona correspondiente a este intervalo es el campo elástico y en él el material cumple la ley de
Hooke; el alargamiento es proporcional a la tensión, siendo la constante de proporcionalidad el módulo de
elasticidad E (módulo de Young).
Para el acero, el módulo de Young es del orden de 30.10
Si en cualquier punto de la región elástica cesa la tensión, la probeta de ensayo adquiere prácticamente
las dimensiones iniciales.
Cuando la tensión se incrementa por encima de un cierto valor, el material no tiene un comportamiento
elástico, adquiere un alargamiento permanente y tiene un comportamiento plástico, no existiendo
una relación lineal entre la tensión y el alargamiento. El valor que separa las regiones elástica y plástica,
es el límite elástico teórico, que se define como la máxima tensión que se puede aplicar antes de que
se presente un alargamiento permanente.
Cuando el material tiene un punto bien definido a partir del cual continúa el alargamiento sin incremento
de la carga, se identifica como punto de fluencia o relajamiento. Muchos aceros no tienen punto
de fluencia y a veces, en los que lo tienen, no se identifica con exactitud ni éste, ni el límite elástico.
El límite de fluencia se define como la tensión con la que la probeta metálica alcanza un alargamiento
del 0,2% de la longitud inicial, Fig VII.14, aunque existen aceros en los que el campo plástico comienza
antes de llegar a este valor.
Si se sigue aplicando tensión después de la fluencia, el material se alarga uniformemente, disminuye
la sección transversal hasta el punto de carga máxima, a partir del cual, en la sección más debilitada
6 psi, a la temperatura ambiente.
VII.-235
se presenta el fenómeno de la estricción, que es un estrechamiento local transversal en forma de huso,
produciéndose a continuación la rotura.
En los materiales dúctiles se presenta un apreciable incremento del alargamiento en la sección
más estrecha de la probeta; cuanto más dúctil es el acero, mayor es el alargamiento antes de la rotura.
En algunos materiales no se produce la estricción y la sección transversal se reduce más o menos
uniformemente a lo largo de toda la longitud de ensayo, hasta la rotura.
Fig VII.14.- Diagrama de tracción (tensión/alargamiento), para el Cu-policristalino
y región elástica e inicial plástica (límite elástico 0,2%)
La carga máxima de rotura necesaria para romper la probeta por tracción, dividida por el área de
su sección inicial, es la tensión o coeficiente de rotura.
Los materiales frágiles no presentan fluencia o deformación plástica, por lo que en ellos, prácticamente,
coinciden el límite de fluencia y la tensión de rotura.
Ensayo de dureza
.- La dureza es:
- La resistencia a la penetración bajo una carga estática o dinámica
- La resistencia al rayado, a la abrasión o al taladrado
La dureza indica el efecto de
un determinado tratamiento térmico
unos procesos específicos de fabricación
unas condiciones determinadas de servicio

El valor de la dureza es, de alguna forma, indicativo de la resistencia a la rotura de los aceros.
La dureza se determina mediante los métodos: Rockwell (cono), Brinell (bolas), Vickers (pirámide),
basados en la medida de la resistencia a la penetración bajo cargas estáticas.
La presión se aplica empleando una carga fija durante un tiempo determinado, midiéndose a continuación
la huella con un microscopio. El resultado se expresa como un número que indica la dureza según
el método utilizado, existiendo una equivalencia entre los resultados de los diferentes ensayos.
La dureza se puede medir también mediante un ensayo dinámico con escleroscopio (ensayo Poldi),
en el que se mide la altura de rebote que alcanza un peso metálico que cae vertical y perpendicularmente
sobre la probeta o material a ensayar; a mayor huella menor altura de rebote y menor dureza.
Ensayo de tenacidad.-
para
La tenacidad es una propiedad que representa la aptitud de un material
absorber tensiones locales mediante deformación plástica
redistribuir las tensiones sobre un mayor volumen de material
, antes de que éste falle.
La aptitud depende
de la velocidad de aplicación de la carga
del grado de concentración de las tensiones locales
En la mayoría de los casos la tenacidad depende de la temperatura, aumentando con ésta, aunque
no es una correlación lineal. La tenacidad puede ser absoluta y relativa.
Un ensayo de tenacidad relativa lo constituye cualquier ensayo de impacto o de resiliencia sobre
VII.-236
una probeta con entalla en posición horizontal y apoyada en sus extremos, que es golpeada con un péndulo
(ensayo Charpy) en su punto medio por la parte contraria a la entalla, Fig VII.15a. La energía absorbida
por la probeta en su rotura está en razón inversa de la altura que alcanza el péndulo después de
romperla.
La probeta se examina también para:
- Determinar el estado de la sección de rotura
- Cuantificar sobre dicha sección lo que corresponde a cizallamiento y a desgajamiento
La resiliencia se puede expresar en tres unidades diferentes:
- Energ ía absorbida, ( ft.lb)
- Extensión lateral , ( 10
- Cizallamiento porcentual , (%)
-3 in )

Fig VII.15.- Tipos de probetas para ensayos de resiliencia:
a) Probeta Charpy; b) Probeta para ensayo de temperatura de transición ductilidad nula; c) Probeta para ensayo de resiliencia
Fig VII.16.- Diagrama de absorción de energía-temperatura, en probetas Charpy con entalla en V,
sobre material de chapa SA 299 de grano fino con diversas resiliencias
VII.-237
Estos valores dependen del
material
temperatura
tamaño de la probeta

, por lo que la comparación de materiales y ensayos
tiene sentido sólo cuando las
geometrías de las probetas
condiciones de ensayo
, son idénticas.
La Fig VII.17 muestra la variación de la resiliencia en función de la temperatura en 22 escalones de
temperatura, sobre probetas de un determinado acero al C de grano fino, determinándose la resiliencia
por el ensayo Charpy; este material muestra una transición gradual entre las altas y bajas resiliencias.
Otro ensayo de tenacidad es el relativo a la caída libre de un peso; la probeta se representa en la Fig
VII.15b; un peso conocido se deja caer desde una altura fija e impacta sobre la probeta a ensayar; el ensayo
se repite sobre una serie de probetas a diversas temperaturas, en tramos de 10ºF (6ºC), para discriminar
finalmente entre rotura sí y rotura no.
Fig VII.17.- Histograma de temperatura de transición de ductilidad nula,
de una probeta de material SA-299 de grano fino a lo largo de una distribución de 20 calentamientos
Si el impacto provoca una fisura susceptible de propagarse a partir de la entalla hasta la cara
opuesta al impacto, se considera que rompe a la temperatura correspondiente. La menor temperatura
a la que falla la probeta define la temperatura de transición de ductilidad nula, Fig VII.17, en la que se
representa un histograma a partir de 20 temperaturas diferentes de calentamiento, sobre un acero de
grano fino.
Los ensayos de resiliencia a la fractura miden las características y propiedades reales de un metal;
estos ensayos son complejos y las probetas más costosas. Sin embargo, facilitan valores que se pueden
utilizar en el cálculo de tensiones, para determinar el tamaño crítico de defectos a partir de los cuales se
pueden propagar con pequeños o nulos incrementos de la carga.
Una probeta para este ensayo de resiliencia es la representada en la Fig VII.15c; para determinar
el comportamiento del desarrollo de grietas de fatiga se utiliza la misma probeta.
La Fig VII.18 pone de relieve, para un acero revenido, la diferencia entre la velocidad de crecimiento
de una grieta en el aire y en una solución salina, con dos niveles de tensiones.
Ensayo de conformación
de fabricación, se emplean ensayos de deformación, como doblado, aplastamiento, abocardado y embutición,
que determinan la capacidad de un material para soportar diversas operaciones de conformación.
.- Para determinar el comportamiento de un material durante el proceso
VII.9.- PROPIEDADES MECÁNICAS A ALTA TEMPERATURA
Los datos
de la resistencia a la rotura
del límite de fluencia
, se determinan a temperatura ambiente y no se pueden extrapolar
como referencia de las propiedades mecánicas de los metales a altas temperaturas.
VII.-238
Fig VII.18.- Tasas de crecimiento de grietas de fatiga por
corrosión para un acero
Fig VII.19.- Resistencia a la tracción de algunos aceros
hasta temperaturas de 1500ºF (816ºC)
La deformación lenta (termofluencia) tiene lugar, para aceros ferríticos, a temperaturas superiores
a 700ºF (371ºC), y para aceros austeníticos por encima de 1000ºF (538ºC).
Las tensiones máximas de trabajo permisibles para materiales férreos en calderas energéticas, se
basan en los ensayos de larga duración sobre rotura por termofluencia. El Código ASME para Calderas
y Recipientes a Presión, Sección I Calderas energéticas, establece que los valores máximos de tensión
admisible para partes a presión no deben superar el menor de los seis supuestos siguientes:
- El 25% de la mínima resistencia a la tracción que se haya especificado
- De 1,1 hasta 4 veces la resistencia a la tracción, para la temperatura que se haya considerado
- El 67% del mínimo límite elástico especificado, a temperatura ambiente
- El 67% del límite elástico a la temperatura considerada para los aceros perlíticos, y el 90% del mismo para los aceros
austeníticos y aleaciones de base níquel
- Una media conservadora de resistencia, para dar un gradiente de termofluencia del 0,01% para 1000 horas (1% en
100.000 horas)
- El 67% de la media, o el 80% de la mínima tensión de rotura en 100000 horas
La tensión admisible a mayor temperatura no puede exceder de la que corresponde a una temperatura
menor, de modo que no se tiene ventaja alguna en el comportamiento del envejecimiento por deformación
plástica o maduración mecánica; la tensión admisible es, en consecuencia, el límite inferior de
los involucrados en estos criterios.
Resistencia a la tracción.-
de ensayos de termofluencia y de rotura por fluencia, aunque también se necesitan ensayos de tracción
de corta duración, que facilitan propiedades de la resistencia de los metales hasta que se llega al valor de
fluencia del material.
Los ensayos a tracción de corta duración proporcionan información sobre las características de
ductilidad que ayudan en el proceso de fabricación. En la Fig VII.19 se muestran las cargas de rotura de
un acero al C y de unos aceros aleados, a lo largo de un campo de temperaturas entre 100ºF (38ºC) y
El diseño de equipos para altas temperaturas requiere la utilización
1300
704
÷ 1500ºF÷ 916ºC
.
aunque hay una región para los aceros austeníticos situada entre
Los resultados indican que la resistencia disminuye cuando se incrementa la temperatura,
400
204
÷ 900ºF÷ 428ºC
, en la que la resistencia
es casi constante.
VII.-239
Si estos ensayos se realizarían a temperaturas más elevadas, los datos no serían adecuados para
el diseño de equipos que funcionasen un gran tiempo a esas temperaturas, por cuanto la aplicación continuada
de carga produce una deformación lenta y continua, que puede ser importante y apreciable en
un determinado período de tiempo y que, eventualmente, puede conducir a una fractura.
Una excepción a la norma expuesta es el aumento de resistencia, con la consiguiente reducción en
la ductilidad, que se observa a temperatura ambiente para el acero al C y muchos aceros aleados, en un
intervalo de temperatura de
100
38
÷ 600ºF÷ 318ºC
. Si la temperatura supera los
600
316
÷ 750ºF÷ 400ºC
, la resistencia del
acero al C y de la mayoría de los aceros aleados de baja aleación, disminuye y se hace menor que la que
corresponde a la temperatura ambiente, todo ello con el correspondiente aumento de la ductilidad.
Ensayo de termofluencia y rotura por fluencia.-
cuando se encuentran sometidos a tensiones experimentan con el tiempo una lenta y continua deformación.
La rotura de un material metálico puede ocurrir, cuando se somete a tensiones a alta temperatura
durante un tiempo suficientemente largo, incluso aunque la carga aplicada sea considerablemente
menor que la correspondiente al ensayo de rotura a la misma temperatura.
El ensayo de rotura por termofluencia se emplea para determinar a una temperatura dada:
Ciertos materiales no metálicos como el vidrio,
- La velocidad de deformación
- El tiempo hasta la rotura
La probeta a ensayar se mantiene a una temperatura constante y se somete a una tensión estática
fija; en el ensayo se miden su deformación y el tiempo hasta la rotura. La duración del ensayo se puede
extender desde 1000 a 10000 horas, e incluso más.
En la Fig VII.8 se representa el diagrama característico de la correlación deformación-tiempo, de
una probeta a lo largo del ensayo.
La curva representativa de la termofluencia se divide en tres etapas:
- La primera etapa de la curva de fluencia (A-B), termofluencia primaria, se caracteriza por una velocidad decreciente de
la deformación a lo largo del período
- La segunda etapa de la curva de fluencia (B-C), termofluencia secundaria, se caracteriza por variaciones muy pequeñas
de la velocidad de deformación con un gradiente de termofluencia constante
- La tercera etapa de la curva de fluencia (C-D), termofluencia terciaria, se caracteriza por una velocidad de deformación
creciente, que conduce a la rotura.
Fig VII.20.- Esquema de ensayo de termofluencia para carga y temperatura constantes
La curva se inicia tras el alargamiento inicial (O-A), que es la medida de la deformación provocada
por la carga. La magnitud del alargamiento inicial depende de las condiciones del ensayo y se incrementa
cuando crecen la carga y la temperatura.
Algunas aleaciones muestran una termofluencia secundaria muy limitada, e incluso inexistente,
VII.-240
por lo que durante la mayor parte del ensayo la termofluencia es terciaria.
Para simplificar las aplicaciones prácticas de los datos de termofluencia, para un material dado a
una temperatura determinada, se pueden establecer dos tipos de resistencia que facilitan magnitudes
de la fluencia de un 1% de alargamiento tras 10.000 y 100.000 horas de ensayo, debiéndose realizar varios
ensayos de rotura por fluencia a cualquier temperatura y cargas diversas.
La velocidad de la fluencia en la etapa de termofluencia secundaria, se determina a partir de estas
curvas y se representa gráficamente en función de la carga. Cuando estos datos se representan en coordenadas
logarítmicas, los puntos relativos a cada probeta están dispuestos sobre una línea que tiene
una ligera curvatura.
En la Fig VII.21 se presentan una serie de curvas de velocidades de termofluencia para un acero
con diversas temperaturas. El perfil de estas curvas depende de la
Composición química
Microestructura cristalina del metal
Carga aplicada
Temperatura del ensayo
La resistencia a la rotura por termofluencia es =
Carga aplicada
Area de la sección de rotura
y en atmósfera de aire a la temperatura del ensayo.
El tiempo de rotura a una temperatura dada depende de la carga aplicada.
La Fig VII.22 indica las curvas de la correlación tensión-tiempo de rotura de un acero, en coordenadas
logarítmicas:
, en un tiempo determinado,
- Las grandes velocidades de alargamiento indican una fractura dúctil (transgranular), en la que hay superficie oxidada
- Las pequeñas velocidades de alargamiento son propias de una fractura frágil (intergranular), en la que sólo hay oxidación
visible intercristalina o no hay oxidación alguna
De las discontinuidades producidas por la presencia de óxidos intercristalinos, el tiempo de rotura se
reduce, apreciablemente, para una determinada combinación de carga y temperatura.
Se observa que la pendiente de la curva para 1200ºF (649ºF) es mayor que las pendientes correspondientes
a temperaturas menores, por cuanto es una temperatura mayor que el límite normal de
temperatura de máxima resistencia a la corrosión del acero en cuestión, produciéndose una excesiva exfoliación
en los ensayos de rotura de larga duración a 1200ºF (649ºC).
Fig VII.21.- Curvas de alargamiento para un acero 2,25 Cr + 1 Mo
Fig VII.22.- Curvas de rotura por termofluencia del acero 2,25 Cr + 1 Mo
VII.-241
Tabla VII.1.- Materiales de calderas y aplicaciones típicas (unidades inglesas)
Pared Otras Tuberías no Colectores Máxima
Tracc. Fluen. hogar paredes SH calentadas y tuberías temper.
Composición Forma mín. mín. alta y RH Diámetro ext Diámetro ext Calde- uso
Nº Especificación nominal producto ksi ksi absorc cerram. Eco
1 178ª C tubo ERW 47 26 X X X 950 1 - 2
2 192 C tubo sin costura 47 26 X X X X 950 1
3 178C C tubo ERW 60 37 X X 950 2
4 210AA1 C tubo sin costura 60 37 X X X X 950
5 106B C tubo sin costura 60 35 X X 950 3
6 178D C tubo ERW 70 40 X X X 950 2
7 210C C tubo sin costura 70 40 X X X 950
8 106C C Tubería sin cost. 70 40 X X 950 3
9 216WCB C Fundido 70 36 X X X X 950
10 105 C Forjado 70 36 X X X X 950 3
11 181-70 C Forjado 70 36 X X X X 950 3
12 266C12 C Forjado 70 36 X 800
13 516-70 C Chapa 70 38 X X 800
14 266C13 C Forjado 75 37,5 X 800
15 299 C Chapa 75 40 X 800
16 250T1A C+Mo tubo ERW 60 32 X X 975 4 - 5
17 209T1A C+Mo tubo sin costura 60 32 X X X 975 4
18 335P1 C+Mo Tubería sin cost. 55 30 X 875
19 250T2 0,5Cr+0,5Mo tubo ERW 60 30 X X X 1025 6 - 7
20 213T2 0,5Cr+0,5Mo tubo sin costura 60 30 X X 1025 6
21 250T12 1Cr+0,5Mo tubo ERW 60 32 X 1050 5- 7
22 213T12 1Cr+0,5Mo tubo sin costura 60 32 X 1050 8
23 335P12 0,5Cr+0,5Mo Tubería sin cost. 60 32 X 1050 8
24 250T11 1,25Cr+0,5Mo+Si tubo ERW 60 30 X 1050 5
25 213T11 1,25Cr+0,5Mo+Si tubo sin costura 60 30 X 1050
26 335P11 1,25Cr+0,5Mo+Si Tubería sin cost. 60 30 X X 1050
27 217WC6 1,25Cr+0,5Mo fundido 70 40 X X X X 1100
28 250T22 2,25Cr+1Mo tubo ERW 60 30 X 1115 5 - 7
29 213T22 2,25Cr+1Mo tubo sin costura 60 30 X 1115
30 335P22 2,25Cr+1Mo Tubería sin cost. 60 30 X X 1100
31 217WC9 2,25Cr+1Mo fundido 70 40 X X X 1115
32 182F22A 2,25Cr+1Mo forjado 60 30 X X 1115
33 336F22A 2,25Cr+1Mo forjado 60 30 X 1100
34 213T91 9Cr+1Mo+V tubo sin costura 85 60 X 1200
35 335P91 9Cr+1Mo+V Tubería sin cost. 85 60 X X 1200
36 182F91 9Cr+1Mo+V forjado 85 60 X 1200
37 336F91 9Cr+1Mo+V forjado 85 60 X 1200
38 213TP304H 18Cr+8Ni tubo sin costura 75 30 X 1400
39 213TP347H 19Cr+10Ni+Cb tubo sin costura 75 30 X 1400
40 213TP310H 25Cr+20Ni tubo sin costura 75 30 X 1500
41 407-800H Ni+Cr+Fe tubo sin costura 65 25 X 1500
42 423-825 Ni+Fe+Cr+Mo+Cu tubo sin costura 85 35 X 1000
<10,75 in >10,75 in rines ºF Notas
Notas:
- Los valores ksi en los números 1 y 2 son mínimos esperados
- Se requiere inspección especial, si se usa al 100% de su capacidad, por encima de 650ºF
- Limitado a un máximo de 800ºF para tubería de diámetro exterior > 10,75" y para el exterior de la caldera
- Limitado a un máximo de 875ºF para el exterior de la caldera
- Requiere inspección especial, si se usa al 100% de su capacidad
- La temperatura máxima del diámetro exterior es de 1025ºF. La media máxima para cálculos por Código es 1000ºF
Un ensayo completo de rotura por termofluencia, para un acero dado, consiste en una serie de ensayos
a temperatura constante y con probeta sometida a diferentes niveles de carga. Como los ensayos
no se suelen prolongar más allá de las 10.000 horas, los valores correspondientes a tiempos de rotura
superiores a esa cifra se estiman por extrapolación.
VII.-242
VII.10.- MATERIALES PARA CALDERAS
Especificaciones ASME y tensiones admisibles.
energéticas se diseñan de acuerdo con la Sección I del Código ASME para Calderas y Recipientes a Presión,
Calderas Energéticas (calderas para plantas de producción de energía eléctrica).
Las especificaciones se listan en la Sección II, que comprende:
La mayor parte de las calderas industriales y
parte A, materiales férreos
parte B, materiales no férreos
En la parte C, figuran las especificaciones para los materiales aptos para soldadura, como varillas
de soldar, electrodos, metales de aportación, etc.
En la parte D, figuran los valores admisibles para las solicitaciones de diseño
La configuración de los productos metálicos utilizados en las partes a presión son los tubos, chapas,
piezas forjadas y piezas fundidas.
La Tabla VII.1 muestra algunas especificaciones de materiales comunes para partes a presión utilizados
en calderas que queman combustibles fósiles, las propiedades mínimas exigibles, las temperaturas
máximas recomendadas para el servicio y las aplicaciones sugeridas.
La temperatura de servicio máxima recomendada es una de las posibilidades de limitación, y se
debe tomar como la más alta de entre las siguientes:
- La de la tensión indicada en la Sección I
- La del límite de oxidación a largo plazo
- La de una posible grafitización
- La de la práctica comercial normal
Caldera, paredes hogar, zonas de convección y economizadores.-
paredes de agua del hogar y del cerramiento del paso de convección, se construyen generalmente con tubos
de acero al C, aceros (C-Mo) y acero (0,5Cr + 0,5Mo), con costura soldada por resistencia eléctrica,
y sin costura.
Los tubos que tienen costura soldada por resistencia eléctrica, son los habituales en las aplicaciones
muy críticas de las calderas de recuperación de calor en procesos de la industria papelera, en los que
una fuga de agua implica siempre explosiones, derivadas del contacto entre el agua y el material fundido.
En las zonas de elevado aporte de calor, para evitar el riesgo de grafitización, se usan aceros bajos
en C y los aleados con (0,5Cr + 0,5Mo); en esas zonas la temperatura del metal puede estar sujeta a algunas
fluctuaciones.
Los aceros altos en C y los de (C-Mo) se usan en los suelos y partes altas del hogar, en las superficies
de cerramiento de la zona de convección y en los economizadores.
Las superficies de caldera,
Sobrecalentadores y recalentadores.-
presentan en el sobrecalentador y en el recalentador, por lo que los tubos de estos componentes deben
estar fabricados con materiales que tengan propiedades y resistencia a la corrosión a altas temperaturas.
El acero al C es un material económico y adecuado para temperaturas del metal que no excedan de
Las temperaturas máximas en las partes a presión se
850ºF
454ºC
÷ 950ºF÷ 510ºC
, dependiendo también de la presión.
Por encima de estos valores, se precisan aceros aleados y aceros inoxidables, ya que los aceros al C
tienen baja resistencia a la oxidación y menores tensiones admisibles.
En la construcción de
sobrecalentadores se utilizan aceros aleados con dos o más elementos:
- Los aceros de baja aleación, como el acero al C y el (C-Mo), se pueden emplear en las secciones de entrada
- Los aceros (Cr-Mo) de media o baja aleación se usan en las secciones de salida, en las que se incrementan las tempera-
VII.-243
turas del metal y del vapor
Los tubos de acero inoxidable se emplean en las secciones más calientes del sobrecalentador, aunque
ya comienzan a sustituirse por el acero (9Cr + 1Mo + V) (Croloy 9V), que es un material ferrítico de
alta resistencia que se desarrolló inicialmente para componentes de los reactores rápidos reproductores
y que se ha aplicado en calderas que queman combustibles fósiles, por su alta resistencia y excelente tenacidad.
Gracias a su estructura ferrítica, con el empleo de este acero en lugar de los inoxidables, se eliminan
los riesgos de los fallos propios de las soldaduras que se presentan entre metales diferentes.
VII.11.- FACTORES DE SELECCIÓN
Sobrecalentadores.-
Para un sobrecalentador se pueden tener en cuenta:
Factores operativos:
- Area de la sup erficie requerida para la termopermutación
- Temperatura final del vapor
- Caudal másico total que pasará por los tubos
- Equilibrio de caudales en los dist intos circuitos
Factores mecánicos:
- Presión interna
- Temperatura de diseño
- Sistemas de soporte
- Tensiones de dilataciones térmicas relativas
Factores medioambientales:
- Resistencia a la oxidación por vapor y a la corrosión (picaduras), sobre la superficie interna de los tubos en los períodos
de fuera de servicio
- Resistencia a la oxidación, corrosión y erosión por la ceniza del combustible, en la superficie exterior de los tubos.
Tensiones
que se pueden utilizar en un sobrecalentador de una caldera para generación de energía eléctrica.
El espesor mínimo de la pared tubular se calcula por la expresión:
.- La Tabla VII.2 muestra las tensiones admisibles para una serie de tubos sin costura,
e
=
p D
2
σ + p
+
0,005 D, en la que:
e es el espesor de la pared tubular
p es la presión de diseño
D es el diámetro exterior del tubo
s es la tensión admisible
El peso del tubo por unidad de longitud en ft, se calcula mediante la siguiente expresión, que incluye
un factor de sobreespesor (1,11), normal para tubos sin costura:
Peso del tubo
Longitud del tubo
= 10,69 ( D 1,11 e ) 1,11 e
La Tabla VII.3 muestra los espesores mínimos de pared para la superficie de sobrecalentadores correspondientes
a siete materiales, para un tubo de 2,5" (63,5 mm) y presión de diseño de 2975 psi (205
bar). Estas cifras ponen de relieve que sólo tres o cuatro materiales podrían ser los seleccionados para el
sobrecalentador previsto: el SA-210C, el SA-213T12, el SA-213T22 y el SA-213T91.
El paso del SA-210C al SA-213T12 se puede situar entre los
750ºF
399ºC
÷ 800ºF÷ 427ºC
.
La sustitución del SA-213T12 por el SA-213T22 se puede realizar a una temperatura que depende
del flujo de vapor que circula por el sobrecalentador, lo que ocurre entre
1000ºF
538ºC
÷ 1050ºF÷ 566ºC
.
El cambio del SA-213T22 por el SA-213T91 puede tener lugar entre
1050ºF
566ºC
÷ 1100ºF÷ 593ºC
.
VII.-244
Tabla VII.2.- Tensiones admisibles de varios materiales para tubos sin costura
Fuente: Sección I, Código ASME para Calderas y Recipientes a presión
Nº Material Temperaturas de metal que no excedan de, ºF
700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150 1200
1 SA-210C 16,6 14,8 12 7,8 5 3 1,5 - - - -
2 SA-209T1A 15 14,8 14,4 14 13,6 8,2 4,8 - - - -
3 SA-213T2 15 14,8 14,4 14 13,7 9,2 5,9 - - - -
4 SA-213T12 14,8 14,6 14,3 14 13,6 11,3 7,2 4,5 2,8 1,8 1,1
5 SA-213T11 15 14,8 14,4 14 13,6 9,3 6,3 4,2 2,8 1,9 1,2
6 SA-213T22 15 15 15 14,4 13,6 108 8 5,7 3,8 2,4 1,4
7 SA-213T91 20 19,4 18,7 17,8 16,7 15,5 14,3 12 10,3 7 4,3
8 SA-213TP304H 15,9 15,6 15,2 14,9 14,7 14,4 13,8 12,2 9,8 7,7 6,1
Tabla VII.3.- Espesor mínimo de pared (in) en función de la temperatura de los materiales para sobrecalentador,
tubos de diámetro 2,5" y presión de diseño = 2975 psi; (--), material no permitido para la temperatura de referencia
Nº Material Temperatura
700 750 800 850 900 950 1000 1050 1100 1150
1 SA-210C 0,218 0,241 0,288 0,413 0,586 0,841 -- -- -- --
2 SA-209T1A 0,238 0,241 0,247 0,253 0,259 0,396 0,604 -- -- --
3 SA-213T2 0,238 0,241 0,247 0,253 0,257 0,36 0,516 0,922 -- --
4 SA-213T12 0,238 0,238 0,241 0,25 0,267 0,31 0,472 0,678 -- --
5 SA-213T22 0,238 0,238 0,238 0,247 0,267 0,31 0,413 0,523 0,666 --
6 SA-213T91 0,185 0,191 0,197 0,205 0,217 0,231 0,248 0,271 0,328 0,451
7 SA-213TP304H 0,226 0,23 0,235 239 0,242 0,247 0,256 0,284 0,342 0,417
Como resultado de todo ésto, se podría necesitar sólo una pequeña longitud de SA-213T22, por lo
que el diseño podría eliminar una soldadura, y pasar directamente del SA-213T12 al SA-213T91, a 1050
ºF, (566ºC).
La Fig VII.23 indica para diversos materiales, las curvas (tensión admisible-temperatura) en los
principales campos de utilización de los mismos. Una consideración de diseño, que se deduce de estas familias
de curvas, es la sensibilidad a las variaciones de la temperatura final que superen a la de diseño;
los materiales con una baja reducción de resistencia cuando aumenta la temperatura, son mucho más
tolerantes, con desvíos ocasionales sobre las especificaciones de servicio, que conduzcan a temperaturas
que lleguen a superar la temperatura final de diseño.
En algunos casos, las consideraciones de una probable corrosión por la ceniza del combustible puede
obligar a la utilización de aceros más aleados, en intervalos de temperaturas más bajas, lo que es
bastante frecuente en las calderas recuperadoras que se usan en procesos industriales, y en las calderas
que queman basuras, porque generan gases y cenizas con elevado potencial corrosivo.
Por ejemplo, la aleación 825, SB-407-825 (42Ni + 21,5Cr + 3Mo + 2,25Cu + 0,9Ti + resto Fe), se
utiliza en zonas altamente corrosivas de los sobrecalentadores de calderas que queman basuras, incluso
para temperaturas inferiores a 1000ºF, (538ºC).
En casos extremos, se han utilizado tubos bimetálicos con un núcleo de material para soportar la
presión y un revestimiento de aleación resistente a la corrosión.
Colectores y tuberías.-
están recogidas en la Tabla VII.1. Los componentes de colectores y tuberías no se ubican dentro
del flujo de gases por lo que no están calentados por éstos directamente. De ahí que el parámetro de diseño,
salvo la resistencia mecánica, sea la resistencia a la oxidación por el vapor.
Para evitar la grafitización en el exterior del generador de vapor, los aceros al C no se emplean por
encima de los 800ºF, (427ºC)
Las especificaciones de la mayoría de las tuberías que se utilizan normalmente,
VII.-245
Fig VII.23.- Sensibilidad de la tensión admisible con cambios de temperatura
Los aceros al (C-Mo) se limitan a aplicaciones de tamaño pequeño, diámetros menores de 10,75"
(273 mm), y por debajo de 875ºF, (468ºC), .
La aleación (9Cr + 1Mo + Va) está sustituyendo al acero (2,5Cr + 1Mo) en los colectores de salida de
sobrecalentadores; este material no opera en la mayoría de los componentes de calderas, dentro del
campo de fluencia, incluso para temperaturas de diseño comprendidas entre
1000ºF
538ºC
÷ 1050ºF÷ 566ºC
Esta circunstancia y su elevada resistencia conducen a componentes más delgados, que son menos
susceptibles de fallos provocados por la fatiga de fluencia observada en antiguos colectores fabricados
con el (1,5Cr + 1,5Mo + Si ) y con el (2,5Cr + 1Mo). El empleo de conexiones de salida forjadas, en lugar
de soldadas, reduce posibles fallos de estas grandes conexiones tubulares.
Calderines.-
gruesas > 4" (101,6 mm), se emplea el acero de grano fino SA-299, con una resistencia a la tracción de
75.000 psi (517,1 MPa), idóneo para alcanzar una buena tenacidad.
En la fabricación de calderines se utiliza el acero al C. Para calderines con paredes
VII.-246
En paredes de menor espesor 1,5" < e < 4", se utiliza el SA-516-Gr70 con grano fino y resistencia a
la tracción de 70.000 psi (482,7 MPa).
En carcasas delgadas se usa el acero fundido de grano grueso SA-515-Gr79.
Aceros termoresistentes para partes no presurizadas.-
alta aleación se utilizan en algunas partes de la caldera expuestas a altas temperaturas y que no se
pueden refrigerar por agua o por vapor; estas partes están fabricadas con aleaciones tipo (Cr-Ni-Fe) resistentes
a la oxidación y elevada resistencia a la tracción; muchas de estas fundiciones se destinan a
configurar accesorios como deflectores, soportes y colgantes. También se construyen con estos aceros
termoresistentes los impulsores de los mecheros de aceite y las abrazaderas y colgantes-soporte del sistema
de sopladores de hollín. El deterioro de estos componentes se manifiesta por la conversión de sus
capas superficiales en óxidos, sulfuros o sulfatos, y en este supuesto se dice que está quemado u oxidado.
Los aceros (25Cr + 12Ni) y (25Cr + 20Ni) facilitan una vida de servicio buena, dependiendo de la
ubicación que la parte considerada tenga en el flujo de gases y de las características del combustible.
La temperatura a la que estas partes pueden estar expuestas varía entre
Estos materiales termoresistentes de
1000ºF
538ºC
÷ 2800ºF÷ 1538ºC
, evitándose
las soldaduras de estas fundiciones austeníticas con tubos de aleaciones ferríticas, para minimizar
los fallos en soldaduras entre metales distintos.
La vida de estos componentes se acorta si los aceros citados se exponen a los gases de combustión,
especialmente si proceden de la combustión de aceites con alto contenido en Va.
Los sulfuros que se forman en la combustión de combustibles que tienen un elevado contenido en S,
son dañinos y, por supuesto, reducen la vida de servicio; estos sulfuros pueden reaccionar, especialmente
en presencia de Va, y provocar una velocidad de ataque del metal muy grande, si la temperatura de
éste excede de 1700ºF, (649ºC).
La combinación de compuestos de Na, S y Va funde a 1050ºF (566ºC); los depósitos y deposiciones
de estos compuestos son muy corrosivos cuando se funden, a causa de su acción escorificante; para hacer
frente a esta corrosión lo mejor es utilizar las fundiciones (30Cr + 50Ni) ó (60Cr + 40Ni).
VII.12.- EQUIPOS MEDIOAMBIENTALES
Desulfuración de humos.-
combustibles fósiles. La depuración y lavado del SO
por medio de la saturación de los gases con una lechada de un producto altamente reactivo, en torre
de absorción, con flujos en contracorriente.
Se utiliza para reducir las emisiones de SO2 en las calderas que queman2 contenido en los gases de combustión, se realiza
Entrada en la torre de absorción.-
La entrada a la torre de absorción se considera zona
húmeda/seca
, porque está expuesta a ambos ambientes,
el flujo entrante seco de gases calientes
los rociadores de lechada del reactivo
, y está ubicada
en la zona en la que las condiciones de corrosión son más severas.
En la interfaz húmeda/seca se presentan, a veces, condiciones muy ácidas, en particular con altos
niveles de cloruros y fluoruros. Para esta interfaz, debido a las altas temperaturas presentes, se seleccionan
metales aleados con Ni, en lugar de los revestimientos no metálicos como:
C-276 = 2,5 máx Co + 15,5Cr + 16Mo + 3,75W + 5,5Fe + resto Ni
C-22 = 2,5 máx Co + 4Fe + 21Cr + 13,5Mo + 0,3V + 3W + resto Ni
Zona humidificada por rociado en la torre de absorción.-
es la única que está expuesta a condiciones corrosivas y abrasivas. Los rociadores de lechada dentro de
la torre de absorción, están dispuestos de forma que se garantice la cobertura de toda el área de la sec-
Esta zona de la torre de absorción
VII.-247
ción transversal y, por tanto, de que se elimine el establecimiento de cualquier circulación de flujo no tratado
a través de los rociadores. En la fabricación de las torres de absorción se utilizan aceros austeníticos
inoxidables que contienen Mo. Sin embargo, los niveles de solución de cloruros exceden de los valores
en los que son efectivos los aceros inoxidables, por lo que los únicos materiales viables, para esta zona
de la torre de absorción humidificada por rociado, son:
- Acero al C forrado con elastómero clorobutil o plástico reforzado con fibra de vidrio
- Aceros inoxidables dúplex
- Aceros altos en Ni
Dado el alto precio de los aceros inoxidables y de los aceros altos en Ni, se prefiere utilizar el acero al
C forrado con láminas de elastómero clorobutil o plástico reforzado con fibra de vidrio, soldadas a las
chapas de acero al C.
Tanque de recirculación en la torre de absorción.-
en la estructura de la torre; los materiales para el mismo son similares a los de la zona húmeda de rociadores
de la torre de absorción. Los aceros inoxidables, o los que contienen Mo, proporcionan un excelente
servicio dependiendo de la química del sistema, pero una inversión mínima inicial implica utilizar revestimientos
plásticos reforzados con fibra de vidrio, siendo la alternativa de mejor coste la que corresponde
al empleo de un revestimiento de elastómero clorobutilo. El inconveniente de estos revestimientos radica
en su vida limitada (10
capa de ladrillo superpuesta.
El tanque de recirculación está integrado÷ 15 años), siendo ambos tipos de revestimiento susceptibles de admitir una
Colectores con rociadores internos.-
son las únicas que deben tener resistencia a la abrasión, lo mismo por su superficie interior como por la
exterior. Se han empleado también tuberías de acero al C, revestidas y recubiertas de elastómeros, pero
resultan caras y es difícil determinar la extensión de una corrosión en el sustrato. En la actualidad se
utiliza una tubería de plástico reforzada con fibra de vidrio y resina sintética.
Las tuberías de los sistemas de desulfuración de humos
Separadores de humedad.-
de humedad fabricados con aceros inoxidables, debido a la variación de las temperaturas.
Una vez mejorada la
Los sistemas antiguos de depuración de humos, utilizaban separadores
fiabilidad de las torres de absorción
estabilidad de las temperaturas
, la tendencia ha evolucionado hacia los separadores
de humedad construidos en plástico, que mejoran la resistencia a la corrosión, resultando frecuentes
los separadores de humedad fabricados con fibra de vidrio, reforzados con resinas termoplásticas.
Zona de salida y separador de humedad en la torre de absorción.-
a un medio ambiente distinto de los anteriores, por cuanto no predomina la lechada abrasiva de recirculación
de cloruros; para el lavado del separador de humedad existe un agua blanda que se combina con el
SO
abrasión no constituye un factor preponderante, no es necesario utilizar un forro de elastómero, siendo
suficiente un acero al C revestido de plástico reforzado con vidrio en escamas.
Esta zona está expuesta2 residual de los gases, para formar ácido sulfúrico SO4H2. En esta zona, como la resistencia a la
Flujo de gases aguas abajo del by-pass.-
se instala un by-pass que rodea la torre de absorción, conectando la salida de la torre con el flujo
aguas arriba de la misma; la salida del bipaso está expuesta al ambiente altamente corrosivo de los gases
lavados y calientes. Como las temperaturas son del orden de 300ºF (149ºC), en esta sección de los
conductos de humos se suelen utilizar, entre otros, revestimientos con bloques de vidrio celular de borosilicato.
En algunas unidades de depuración de gases de combustión,VII.-248

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