Lubricantes para laminación en caliente
y en frío de acero
La laminación de acero impone condiciones tribológicas extremas: presiones de contacto de 500-2.000 MPa en la zona de laminación, velocidades de 5-35 m/s en trenes continuos y temperaturas de 800-1.200°C en caliente. El lubricante de laminación no solo reduce la fricción, sino que controla la rugosidad superficial del producto y protege los cilindros de trabajo.
La laminación de acero se divide en dos grandes procesos con tribología completamente diferente: la laminación en caliente (Hot Rolling, HR) que reduce el planchón o bloom desde 150-300 mm de espesor hasta bandas de 2-20 mm a temperaturas de 800-1.250°C, y la laminación en frío (Cold Rolling, CR) que refina la banda HR hasta espesores de 0,2-3 mm a temperatura ambiente con alta precisión dimensional y acabado superficial.
Cada proceso utiliza lubricantes con objetivos distintos: en caliente, la refrigeración del cilindro es tan importante como la lubricación; en frío, la precisión del coeficiente de fricción determina la geometría del producto y la estabilidad de la laminación.
Contenido del artículo
- Laminación en caliente: emulsiones O/W y refrigeración de cilindros
- Control del coeficiente de fricción en caliente
- Laminación en frío: aceites enteros (neat oils) EP
- Rugosidad Ra y transferencia de textura
- Gestión y regeneración de emulsiones
- Lubricación de rodamientos y cajas de laminación
- Tabla comparativa por tipo de tren
1. Laminación en caliente: emulsiones O/W y refrigeración de cilindros
En la laminación en caliente, el acero entra a la caja de laminación a 800-1.200°C. Los cilindros de trabajo (generalmente de hierro fundido o acero con recubrimiento) están sometidos a un ciclo térmico severo: zona de contacto a alta temperatura, enfriamiento por emulsión, nuevo contacto. La emulsión de laminación tiene cuatro funciones simultáneas:
Refrigeración del cilindro
Extrae 80-90% del calor generado en la zona de laminación. El agua de la emulsión es el agente refrigerante principal.
Lubricación de contacto
El aceite de la emulsión forma película EHD en el arco de contacto, reduciendo µ de 0,40 (seco) a 0,20-0,28.
Protección del cilindro
Capa de aditivos EP forma película sacrificial sobre la superficie del cilindro ante el contacto con óxido de hierro caliente.
Limpieza de la banda
El flujo de emulsión arrastra escamas de óxido (scale) y partículas metálicas de la superficie del acero.
1.1 Formulación de la emulsión de laminación en caliente
| Parámetro | Valor típico | Impacto en proceso |
|---|---|---|
| Concentración de aceite | 2-5% en volumen | Mayor concentración: más lubricación, menos fricción; menor: más refrigeración |
| Tipo de emulsión | O/W (oil-in-water) directa | Agua continua: mayor refrigeración que emulsión inversa W/O |
| Tamaño de gota | 3-15 µm D50 (estable) | Gotas grandes coalescen en rodillo caliente: mejor lubricación pero menos estable |
| Temperatura de emulsión | 55-75°C en tanque de circulación | A mayor temperatura: mejor asentamiento de aceite sobre cilindro (rollability) |
| pH | 7,5-9,0 | pH ácido: corrosión sistema; pH >9,5: irritación de piel de operarios |
| Base oleica | Aceite mineral parafínico Group II + éster | Buena emulsificación y afinidad con superficie metálica caliente |
| Aditivos EP | Sulfonatos de calcio + azufre activo | Películas sacrificiales en contacto de alta presión con escamas de óxido |
| Emulsionante | Ácidos grasos etoxilados no iónicos | Estabilidad de emulsión en amplio rango de temperatura |
| Biocida | Isothiazolinona 50-150 ppm activo | Prevención de proliferación bacteriana que destruye el emulsionante |
2. Control del coeficiente de fricción en laminación en caliente
El coeficiente de fricción (µ) en la zona de laminación determina la fuerza de laminación, la distribución de presiones y, crucialmente, el límite de entrada de material (bite angle). Si µ es demasiado bajo, el acero no puede ser capturado por los cilindros (slip). Si es demasiado alto, el desgaste del cilindro aumenta y la fuerza de laminación se dispara.
µ < 0,18
Riesgo de slip
El acero no es capturado por los cilindros. Inestabilidad de laminación, riesgo de cobras (serpenteo de banda).
µ = 0,20-0,30
Zona óptima
Bite correcto, fuerza de laminación controlada, desgaste del cilindro mínimo. Objetivo de formulación.
µ > 0,35
Alta fricción
Desgaste acelerado de cilindros, alta fuerza de laminación, posible rotura de banda en pases finales.
Temperatura de emulsión y concentración: las dos palancas de control de µ
La concentración de aceite y la temperatura de la emulsión son las variables de control del coeficiente de fricción en tiempo real. Aumentar concentración o temperatura de emulsión aumenta el rollability (afinidad del aceite con el cilindro caliente) y reduce µ. Reducir concentración o temperatura aumenta µ. Los sistemas modernos de laminación regulan la temperatura de emulsión de forma continua (PID) para mantener µ dentro de ventana ±0,02.
3. Laminación en frío: aceites enteros (neat oils) EP
La laminación en frío opera a temperatura ambiente con reducción de espesor del 10-50% por pase. Las presiones de contacto son aún mayores que en caliente (1.500-2.500 MPa en zona de contacto Hertziano), pero sin la capa de óxido que actúa como separador en caliente. El lubricante de frío debe proporcionar una película EHD estable entre el acero pulido y el cilindro de trabajo (acero, carburo de tungsteno o hierro fundido enfriado).
3.1 Neat oils vs. emulsiones en frío
Neat oils (aceites enteros)
- ✓ Mayor lubricación: película más espesa y estable
- ✓ Mejor acabado superficial: Ra 0,3-0,8 µm posible
- ✓ Sin problemas de estabilidad de emulsión
- ✓ Aplicación por recirculación directa sin preparación
- → VG: ISO 2-15 para trenes de alta velocidad (flush oils)
- → VG: ISO 15-46 para laminaciones de mayor reducción
- ✗ Mayor riesgo de incendio (necesita sistema contra incendios)
- ✗ Residuo de aceite en banda requiere limpieza posterior
Emulsiones en frío (3-10%)
- ✓ Menor riesgo de incendio (base acuosa mayoritaria)
- ✓ Mayor refrigeración del cilindro
- ✓ Menores costes de gestión de efluentes
- → Requiere control de concentración y pH
- → Estabilidad microbiológica crítica
- ✗ Menor eficacia lubricante en reducciones altas
- ✗ Emulsión residual en banda puede provocar manchas en recocido
- ✗ Resistividad eléctrica más baja: puede afectar soldaduras por resistencia
3.2 Formulación del neat oil de laminación en frío
| Componente | Concentración típica | Función |
|---|---|---|
| Aceite base mineral Group III o PAO | 70-85% | Viscosidad base, estabilidad oxidativa, vida del aceite |
| Éster de ácido graso (trioleato) | 5-15% | Lubricante base de alto índice de viscosidad, afinidad con metal |
| Aditivo EP (azufre activo) | 0,5-2% | Película sacrificial en alta presión; previene adhesión cilindro-banda |
| Inhibidor de corrosión | 0,3-0,8% | Protección de la banda y del sistema de recirculación de acero |
| Antioxidante | 0,2-0,5% | Estabilidad del aceite a temperatura de recirculación (40-60°C) |
| Modificador de fricción (FM) | 0,1-0,5% | Control fino de µ: ajuste de rugosidad Ra por FM de éster de ácido graso |
4. Rugosidad Ra y transferencia de textura
En laminación de acabado (skin pass, temper rolling), el objetivo es transferir la textura del cilindro a la banda con precisión Ra de ±0,1 µm. La rugosidad del producto final afecta directamente a su comportamiento en operaciones posteriores (embutición profunda, pintabilidad, soldadura).
Chapa para carrocería automoción
Ra 0,8-1,5 µm
EDT (textura electrodescarga): mejor adherencia pintura y lubricación en embutición
Acero inoxidable pulido (#4)
Ra 0,2-0,5 µm
Acabado satinado para equipamiento alimentario y arquitectónico
Hojalata (tinplate)
Ra 0,3-0,6 µm
Superficie para recubrimiento de estaño electrolítico
Chapa para electrodomésticos
Ra 0,6-1,2 µm
Pintabilidad y capacidad de embutición para lavadoras, neveras
Lubricante de skin pass: dilema lubricación vs. transferencia de textura
En el skin pass, la película de lubricante compite con la transferencia de textura: demasiada lubricación aísla la banda del cilindro y no transfiere la rugosidad del EDT. La solución es usar aceites de muy baja viscosidad (ISO VG 2-5) o neblina de aceite (oil mist) aplicada en microdosis, que proporciona lubricación suficiente para evitar el desgaste del cilindro mientras permite el contacto directo metal-metal en el pico de las asperezas EDT.
5. Gestión y regeneración de emulsiones de laminación
Las emulsiones de laminación en caliente acumulan finos metálicos, óxidos, bacterias y productos de degradación del aceite. La gestión del baño de emulsión es tan crítica como la selección del producto: una emulsión degradada puede causar defectos superficiales en la banda y desgaste prematuro del cilindro.
| Parámetro de control | Frecuencia | Límite de alarma | Acción correctora |
|---|---|---|---|
| Concentración (%) | Cada 4-8 horas | Fuera de rango ±0,5% | Adición de concentrado o dilución con agua |
| pH | Diaria | pH <7,0 o >9,5 | Adición de tampón alcalino o ácido acético |
| Temperatura (°C) | Continua (sensor) | T >80°C: riesgo microbiológico | Activar refrigeración; control de biocida |
| Recuento bacteriano (CFU/ml) | Semanal | >10⁶ CFU/ml: acción inmediata | Dosis choque de biocida; investigar foco |
| Finos metálicos (ppm Fe) | Semanal | >500 ppm Fe | Centrifugación o filtración del baño |
| Índice de saponificación | Mensual | Caída >20% del valor inicial | Adición de emulsionante o sustitución parcial |
| Estabilidad de emulsión (Zahn) | Mensual | Separación <30 min | Investigar causa; posible sustitución |
6. Lubricación de rodamientos y cajas de laminación
Rodamientos de cilindro de trabajo (chock)
- → Rodamientos de 4 filas de rodillos cónicos o cilíndricos
- → Carga radial: 500-2.000 kN por rodamiento
- → Lubricación por aceite en circulación ISO VG 150-220
- → Filtración: 10-15 µm absoluto para partículas metálicas
- → Temperatura del aceite de salida: máx. 65°C
- → Riesgo de contaminación por emulsión: sellos de laberinto
Rodamientos de cilindro de apoyo (backup roll)
- → Rodamientos de gran tamaño (cojinetes hidrostáticos en algunos trenes)
- → Aceite ISO VG 220-320 en circulación de alta presión
- → Presión de suministro: 1-10 bar para rodamientos de rodillos
- → Cojinetes hidrostáticos: aceite ISO VG 32-68 a presión 100-400 bar
- → Control de temperatura: refrigeración por agua del aceite
7. Tabla comparativa por tipo de tren
| Tipo de tren | Lubricante de laminación | Lubricante rodamientos | Ra objetivo |
|---|---|---|---|
| Desbaste en caliente (roughing) | Emulsión O/W 2-3%, agua predominante | Aceite VG 150 en circulación | N/A (desbaste) |
| Acabado en caliente (finishing) | Emulsión O/W 3-5%, 55-70°C | Aceite VG 150-220 en circulación | 2-4 µm |
| Laminación en frío (tandem) | Neat oil VG 5-15 o emulsión 3-8% | Aceite VG 220 en circulación | 0,5-1,5 µm |
| Skin pass / Temper mill | Neat oil VG 2-5 o mist de aceite | Aceite VG 150-220 | 0,3-1,0 µm (control preciso) |
| Laminación inoxidable en frío | Neat oil éster bajo residuo (sin azufre activo) | Aceite VG 220 en circulación | 0,2-0,8 µm |
| Laminación de aluminio (referencia) | Emulsión mineral VG 5-10 en alta dilución (0,5-2%) | Aceite VG 150 en circulación | 0,3-0,8 µm |
Conclusión
La lubricación en laminación de acero es una ciencia en sí misma: la emulsión de caliente gestiona la fricción, la refrigeración y la protección del cilindro simultáneamente, mientras el neat oil de frío determina la calidad superficial del producto final. La gestión del baño de emulsión —concentración, pH, temperatura, biología— es un proceso crítico continuo.
La selección correcta del tipo de lubricante, su formulación y su gestión marca la diferencia entre un cilindro de trabajo con vida de 50.000 toneladas y uno con 100.000 toneladas, y entre una chapa con Ra 0,8 µm uniforme y defectos de chatarra.
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