Análisis de falla de los eslabones de la cadena de la parrilla transportadora de pellas.

Jiménez, Lis Lorena ¹⁾ Gil, Linda ²⁾

Centro de Estudios de Corrosión y Nuevos Materiales, Dpto. Ingeniería Metalúrgica UNEXPO, Puerto Ordaz

¹⁾ lljimenez77@hotmail.com. ²⁾ lindagil@cantv.net

Resumen

En este estudio se presenta un análisis de fallas de los eslabones de la parrilla transportadora de pellas de una empresa peletizadora. La finalidad de esta investigación es determinar las posibles causas de falla de los eslabones de la cadena. Para esto se tomaron muestras representativas y se aplicó la metodología característica para un análisis de falla de materiales: inspección visual, análisis de la condiciones de operación de la pieza, análisis químico, macrofractografia vía lupa estereoscópica, macroataque, ensayo de dureza, caracterización de los eslabones fallados a través de estudio metalográfico y estudio fractográfico por microscopía electrónica de barrido (MEB) con microanálisis por energía dispersiva (EDX). Los resultados obtenidos evidencian que el inicio de la falla se presenta en el segundo eslabón por la descohesión de la matriz de acero, como consecuencia de un proceso de descomposición de carburos interdendríticos, motivado por su reacción con los gases de la atmósfera del horno, lo que originó la formación de óxidos complejos en los bordes de grano. Lo anterior, aunado a los esfuerzos residuales por la formación de los óxidos más los esfuerzos de tensión periódicos propios de las condiciones de servicio, propiciaron la iniciación y propagación de grietas intergranularmente que condujeron a la falla del eslabón.

Palabras clave: Eslabones/Análisis de falla/Descohesión Intergranular/ Parrilla Transportadora de Pellas.

I. INTRODUCCIÓN.

En un empresa peletizadora de la zona de Guayana se presentó una falla en los eslabones de la parrilla transportadora de pellas, solicitando la determinación de las causas probables de falla. A tal fin se suministraron dos eslabones fracturados que conforman la parrilla móvil del horno tipo túnel, unidos a través de un eje. La rotura de los eslabones quedó en evidencia por la subida de amperaje en el momento de atascamiento entre el eslabón fracturado y el raspador. Esta falla trajo como consecuencia parada de la planta para sustitución de los eslabones fracturados y de los ejes deformados, con la subsiguiente pérdida de producción. La información recopilada a través de entrevistas con el personal de la empresa se detalla a continuación:

• El tipo de material de fabricación del eslabón es un acero JIS G 5122, símbolo de material SCH 22, que se corresponde con un acero ASTM GRADO HK40, siendo el proceso de fabricación fundición.

• El horno tipo túnel está conformado por cuatro zonas de calentamiento para piro consolidación de la pella, en las cuales existe una variación de temperatura que oscila entre 240° C y 560° C..

• El eslabón está conformado por dos secciones claramente definidas en las cuales se basa la presentación y discusión de resultados, como se especifica en el diagrama anexo. (Figura 1).

Figura 1. Esquema de las secciones que conformar el eslabón.

II. DESARROLLO

1 Métodos y materiales

Para dar respuesta a los objetivos planteados, se llevó a cabo una serie de actividades, en el orden en que se establece a continuación:

- Visitas técnicas para recopilación de información técnica de las condiciones de servicio.

- Inspección de la muestra recibida.

- Seccionamiento de la pieza.

- Análisis químico.

- MacrofractografÍa vía lupa estereoscópica.

- Macroataque.

- Ensayo de dureza.

- Ensayo metalográfico.

- Microscopía electrónica de barrido con microanálisis por energía dispersiva (EDX).

2 Resultados y discusión de resultados

2.1 Inspección visual

Una vez recibido el material se procedió a realizar una observación completa de la pieza (Fig. 2), con el fin de seleccionar las superficies de fractura más representativas sobre las cuales se realizarían los ensayos contemplados. Observando los dos eslabones entregados, se evidencia que las zonas de fractura críticas están asociadas a la sección B-B (Fig.1) , que es la zona del agujero del eslabón por donde pasa el eje a través del cual se hace tracción para el arrastre de la parrilla que originó la falla en servicio (atascamiento entre raspador y parrilla).

Figura 2. Eslabones fracturados.

Los cortes de las zonas falladas (Figuras 2. Zona de fractura 2) revelaron la presencia de discontinuidades tales como poros y material extraño (Figura 3A, 3B, 3C, 3D), revelado también por el macroataque en el interior de las piezas y en las cercanías de la zona del agujero a través de la cual pasa el eje, siendo ésta una de las zonas sometida a mayor esfuerzo de tracción para arrastre de la parrilla. Las mediciones realizadas evidencian que la zona ocupada por la discontinuidades tiene un tamaño 3 cm por 5 cm., aproximadamente.

Figura 3. Corte transversal de la zona de falla. Se observa discontinuidades y material metálico cercano al agujero del eslabón.

2.2 Análisis Químico

El análisis químico de las muestras se realizó por vía humedad a partir de virutas obtenidas de un muestreo sobre varias partes de la pieza. El carbono y el azufre se determinaron por el método de combustión. (Ver Tabla I)

Tabla I. Comparación entre la composición química de los eslabones analizados y la composición nominal de un acero SCH22

Los resultados obtenidos de los análisis químicos realizados muestran que ambos eslabones se encuentran dentro de los rangos especificados para un acero nominal SCH 22.

2.3 Determinación de dureza

Se tomaron muestras cerca y lejos de la falla para determinar las variaciones de las propiedades mecánicas de la pieza. Se tomaron valores de dureza Rockwell A, y el promedio de los resultados se muestran en la Tabla II:

Tabla II. Determinación de dureza cerca y lejos de falla

Los resultados obtenidos muestran una disminución significativa de la dureza en la zona de falla.

2.4 Macrofractografía vía lupa estereoscópica

La evaluación de la superficie de fractura de la zona de falla (Fig. 4) muestra indicios de la presencia de material extraño (similar al encontrado en los cortes transversales). La morfología de la zona de falla manifiesta iniciación de grietas alrededor del material extraño, lo cual queda corroborado con la presencia de las líneas de Chevron. Muestra zona de falla B-B, donde se evidencia morfología de deformación por choque con el raspador.

Figura 4. Evidencia de líneas de Chevron alrededor del material exógeno, desde el interior del material hacia la superficie.

2.5 Caracterización microestructural

La evaluación microestructural se realizó a zonas cercanas y alejadas de la falla para evidenciar las diferencias entre ellas (Fig. 5); la estructura observada es de granos dendríticos de matriz ferrítica, con presencia de carburos interdendríticos alojados en los bordes de grano típico de un material de alta resistencia Fe-Cr-Ni. Es importante destacar que no se evidencia la presencia de fase sigma, lo cual se corresponde con el diagrama ternario de la aleación para la temperatura de trabajo a 600°C. Nótese la diferencia de tamaño de grano, entre las zonas alejada y cercana a la falla, cual sustenta la variación de dureza entre ambas.

Fig. 5. Fotomicrografía por microscopía óptica de las muestras evaluadas, con ataque químico aumento 100x. A) Lejos de Falla B) Cerca de falla

Analizando la interfase del material extraño con la matriz de la fundición, se puede observar una descohesión de la matriz (Fig. 6A) aunado a un crecimiento del tamaño de grano por descomposición de los precipitados interdendríticos y una descaburación puntual de la fundición.

Fig. 6. Fotomicrografía por microscopía óptica de la muestra cerca de la falla, A) Interfase entre el material extraño – fundición sin ataque 100X. B). Descomposición de los carburos eutécticos 100X.

III. CONCLUSIONES

1. La inspección visual realizada a toda la pieza entregada conformada por dos eslabones de la parrilla móvil, reveló que las zonas de fractura se producen preferencialmente en la sección B-B del eslabón que es su sección maciza, siendo estas fracturas las que generaron el atascamiento con el raspador, ocasionando las subidas de amperaje monitoreadas en servicio.

2. El inicio de la falla se presenta por la descohesión de la matriz como consecuencia de la descomposición de los carburos interdendríticos por reacción con los gases de la atmósfera del horno.

3. El mecanismo de arrastre de la parrilla, además del impacto por el atascamiento con el raspador, produjo una falla por sobre carga de esfuerzos.

IV. REFERENCIAS

1. Collins, J.A. The role of failure prevention analysis in mechanical design. Failure of Materials in Mechanical Design. New York, Wiley-Interscience, 1981. pp 643-650, 1981.        [ Links ]

2. Metals Handbook, 8th Ed. Vol. 9, Fractography and atlas of Fractographs. Materials Park ASM International. Park, 1987, pp 27-35.        [ Links ]

3. Metals Handbook, 8th Ed. Vol. 10, Failure analysis and Prevention. Materials Park ASM International, Park, 1987, pp 315-332.        [ Links ]

4. Koftad, P. High temperature corrosion. London Applied Science. 1988. pp 152-170.        [ Links ]

5. Vander Voort, G. F. Macroscopic examination procedures for failure analysis. In Metallograph in Failure Analysis. New York. J.L. Mc Call and P.M. French, 1978. pp 457-493.        [ Links ]

6. ASM Handbook Corrosion, 4th Ed., Vol. 13, Materials Park, ASM International. 1992. pp. 567-572.        [ Links ]