Simulación y ensayos en planta piloto del tratamiento térmico para la obtención de carril endurecido con microestructura perlítica

Abstract

La industria ferroviaria exige crecientes calidades, donde la resistencia al desgaste y a RCF (Rolling Contact Fatigue) son parámetros clave. La tendencia general apunta a unas mayores durezas en cabeza de carril, que permiten unos productos de mayor calidad, para dar servicio en condiciones muy exigentes (tráfico de mercancías pesadas, curvas, etc.). En este sentido, ArcelorMittal ha desarrollado un proceso diferenciado respecto a sus competidores bajo el proyecto denominado CHHR (Continuous Head Hardening in Rails), y en la actualidad posee dos plantas productivas, Steelton (EEUU) y Veriña (Asturias, España) que incorporan esta tecnología a su proceso productivo. Paralelamente ArcelorMittal Global R&D Asturias ha desarrollado una instalación pionera que es capaz de simular dicho proceso a nivel de laboratorio, permitiendo el desarrollo de nuevos procesos y productos. En esta Planta Piloto de endurecimiento de cabeza de carril se pretenden hacer las pruebas necesarias para definir las estrategias a seguir en las instalaciones industriales con carriles reales. El objetivo final que se persigue con este Proyecto Fin de Máster es lograr una relación unívoca entre los resultados obtenidos en la escala preindustrial y los resultados en las líneas industriales, de manera que se asegure una repetitividad de los tests de laboratorio y una reproductibilidad en planta de dichos ensayos. De esta manera, se obtienen unos enormes ahorros en lo relativo a costes derivados de pruebas en planta, además de disponerse de una valiosa herramienta para el diseño de nuevos desarrollos (como por ejemplo el Carril Bainítico). El presente trabajo trata de establecer los parámetros de funcionamiento y puesta a punto de dicha planta, desarrollándose a través del mismo las condiciones en las que se ha de operar la instalación, estableciendo cómo ha de ser la muestra y en qué condiciones ha de prepararse antes de ser procesada. En una primera parte, se abordan los potenciales problemas de efecto borde de la muestra, estableciendo la longitud mínima de pieza a ensayar. Para ello, se emplearán herramientas de simulación numérica, en concreto de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). Dichos resultados serán validados a través de medidas experimentales con un sistema multi-termopar inalámbrico. Este dispositivo, servirá también para determinar el tiempo en horno necesario para la total homogeneización de las temperaturas internas en la pieza, y registrará una valiosa información en posteriores etapas. Adicionalmente, se realizará un estudio de crecimiento de grano para determinar las temperaturas y tiempos de austenización óptimos, a fin de lograr una estructura con un tamaño de grano austenítico previo lo más parecido a las calidades industriales, pero evitando una excesiva oxidación y descarburación superficial de la pieza que desvirtúen los resultados. Finalmente, se validarán los resultados obtenidos en un ensayo en la Planta Piloto, contrastándolos con los correspondientes a un carril de producción en la máquina instalada en la factoría de Veriña (Gijón).