DeCEolic desarrolla rutas de conformado en condiciones de semicaliente como vía para reducir el consumo energético en la producción de grandes componentes fabricados en acero.
DeCEolic desarrolla rutas de conformado en condiciones de semicaliente como vía para reducir el consumo energético en la producción de grandes componentes fabricados en acero. El proyecto, apoyado por el Gobierno Vasco, está liderado por la Universidad de Deusto y en él colaboran los centros tecnológicos Tecnalia y Tekniker, la unidad de I+D empresarial Sidenor I+D y la Asociación Cluster de Energía.
En el marco de la transición hacia un sistema energético más limpio, la energía eólica constituye una de las fuentes renovables con mayor potencial de crecimiento en los próximos años. De cara a 2030, la Unión Europea espera aumentar su capacidad instalada de energía eólica de 180 GW a 451 GW, con el segmento offshore liderando el crecimiento en términos porcentuales.
Esta evolución y despliegue de instalaciones de energía eólica será posible, en gran medida, gracias al aumento de la potencia y el tamaño de los aerogeneradores. Los elementos estructurales y mecánicos son cada vez más grandes y, con ello, también lo es el impacto ambiental asociado a la fabricación de los mismos. En este contexto, mejorar la eficiencia energética de estos procesos productivos se convierte en un factor clave para alcanzar los ambiciosos objetivos de descarbonización industrial.
En el caso de la fabricación de grandes piezas de acero, como las destinadas a la generación de energía eólica offshore, las características termo-mecánicas de este material implican habitualmente su conformado a altas temperaturas (1.200ºC aprox.), lo que requiere de una enorme cantidad de energía para calentar el material.
Reducir esta demanda energética resulta fundamental para avanzar hacia una industria más sostenible. Con este objetivo, el proyecto DeCEolic explora nuevas estrategias de conformado en condiciones de semicaliente o warm forming, que permitirían reducir la temperatura de trabajo de los 1.200 – 1.250ºC a entre 800 - 1.000ºC. Aunque este enfoque se aplica principalmente a componentes pequeños, como los del sector de la automoción, aprovechar su potencial para la fabricación de piezas de mayor tamaño requiere superar importantes desafíos.
Así, DeCEolic aspira a generar el conocimiento previo sobre el comportamiento de los materiales, su formabilidad y los problemas tribológicos asociados con el conformado de grandes componentes de acero en semicaliente, para poder evaluar el potencial de descarbonización de estos procesos y definir los requerimientos para su industrialización.
Desafíos del conformado en semicaliente
La transición del conformado en caliente a semicaliente en piezas de gran tamaño implica múltiples retos que deben ser abordados para confirmar su viabilidad industrial. Uno de los principales desafíos es el aumento de la resistencia del material a temperaturas más bajas de las habituales, lo que exige mayores esfuerzos para conformar las piezas y, en consecuencia, podría requerir el uso de prensas con mayor potencia de máquina para alcanzar las deformaciones deseadas. Además, este incremento en la resistencia puede acelerar el desgaste de los utillajes y aumentar su riesgo de rotura durante el conformado, haciendo necesario su rediseño para mejorar su durabilidad y su resistencia al contacto en condiciones más exigentes.
Por otro lado, a medida que se reduce la temperatura de trabajo, su rango aceptable (ventana de trabajo) puede estrecharse, y su control se vuelve más complejo. La falta de uniformidad térmica en la pieza puede provocar variaciones en la distribución de esfuerzos y afectar a la calidad final del componente. En este contexto, la evolución de la temperatura durante el proceso podría requerir un mayor número de ciclos de recalentamiento o reheats para garantizar las condiciones óptimas de conformado, lo que, a su vez, podría influir en el consumo energético global del proceso.
Asimismo, la alteración de la microestructura del material bajo estas nuevas condiciones aún es incierta. Es probable que se observen cambios en la homogeneidad, el tamaño y la distribución del grano, así como en la presencia de inclusiones y la evolución de las fases presentes en la aleación. Estos efectos pueden repercutir en las propiedades mecánicas finales del componente, por lo que es fundamental un estudio detallado que garantice los requisitos estructurales y funcionales del material.
Caracterización de las aleaciones de acero en condiciones de semicaliente
Para abordar todos estos retos, la primera fase del proyecto se ha centrado en la selección y caracterización de los materiales más utilizados en componentes de gran tamaño. Así, se han identificado cuatro aceros clave en función de su aplicación industrial: el S355, ampliamente empleado en componentes estructurales de aerogeneradores; 32CrB4, utilizado en la fabricación de pernos; y los 42CrMo4 y 18NiCrMo7-6, empleados en engranajes y rodamientos.
.jpg)
Una vez seleccionados estos materiales, se han llevado a cabo ensayos de tracción y compresión a múltiples temperaturas y velocidades de deformación. Durante esta caracterización, la temperatura de trabajo se ha variado en un rango de 800 a 1.200°C, ajustando la velocidad de deformación para analizar su influencia en la ductilidad y los esfuerzos requeridos para el conformado. Los datos obtenidos han permitido establecer los mapas de conformado de cada material en función de la temperatura y la velocidad de deformación, proporcionando información clave para estudiar la factibilidad del proceso.
Paralelamente, se ha avanzado en la definición de los ensayos tribológicos y en la fabricación de las muestras de material necesarias. Estos ensayos, actualmente en ejecución, tienen como objetivo evaluar el desgaste de los utillajes y determinar el coeficiente de fricción en las nuevas condiciones de semicaliente. Para ello, se emplean dos metodologías complementarias: ensayos lineales reciprocantes y ensayos de compresión de anillo, en los que se varía la presión de contacto, la velocidad y la temperatura.
Desarrollo y validación de los modelos de conformado
Asimismo, el proyecto desarrolla modelos termo-mecánicos y de fricción para simular el conformado de los distintos aceros en semicaliente, permitiendo analizar su comportamiento bajo estas condiciones. Los resultados de los ensayos de caracterización sirven como input para definir el setup de estos modelos, asegurando una representación precisa del comportamiento de los materiales durante el proceso. Las simulaciones se llevarán a cabo de forma escalonada, comenzando con el conformado de una pieza tipo a escala reducida, cuyas dimensiones han sido adaptadas para su ensayo en laboratorio. Estos ensayos experimentales, realizados en una prensa monitorizada, proporcionarán datos en tiempo real sobre esfuerzos, evolución térmica y respuesta del material, permitiendo validar y ajustar los modelos desarrollados antes de su aplicación a escalas mayores.
Por último, una vez validados los modelos, se abordará el estudio de casos de uso reales, donde se simulará el conformado en semicaliente de diversos componentes industriales. Estas simulaciones permitirán evaluar en detalle el potencial de descarbonización del nuevo proceso, cuantificando la reducción en el consumo energético y el impacto en la eficiencia del proceso. Los resultados serán clave para definir los requerimientos de industrialización, proporcionando las bases necesarias para transferir la investigación a la escala industrial y avanzar en la implementación de esta tecnología.
De la investigación a la industria: impulsando la colaboración para acelerar la descarbonización
DeCEolic está liderado por la Universidad de Deusto, y en él colaboran Tecnalia, Tekniker, Sidenor I+D y el Cluster de Energía. Como líder, la Universidad de Deusto es responsable del desarrollo de los modelos termo-mecánicos y de fricción, así como de la evaluación del potencial de descarbonización del proceso. Por su parte, Sidenor I+D lidera la generación de los mapas de conformado, fundamentales para caracterizar la respuesta de los materiales a menores temperaturas. Tekniker desarrolla los ensayos tribológicos para analizar el desgaste de los utillajes y el comportamiento de fricción. Además de aportar su experiencia en la optimización de procesos industriales, Tecnalia realiza los ensayos para la validación experimental de los modelos en sus instalaciones.
Por último, el Cluster de Energía coordina las actividades de comunicación, difusión y transferencia de resultados, en cuyo marco se ha constituido un Comité Asesor, constituido por empresas industriales, como órgano de asesoramiento externo con el objetivo de orientar los desarrollos tecnológicos hacia los intereses y demandas empresariales. Estas son EUSKALFORGING, SIEMENS GAMESA, ULMA FORGE, LAULAGUN, ERREKA, GRUPO RIZA y IRIZAR FORGE. Además, se ha unido la asociación nacional de industrias de forja SIFE.
Proyecto subvencionado por el Departamento de Industria, Transición Energética y Sostenibilidad del Gobierno Vasco (Programa ELKARTEK 2024)