GUIA PARA LA PRESENTACIÓN DE PROYECTOS UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA

2006*

1. INFORMACIÓN GENERAL DEL PROYECTO:

Título: ESTUDIO COMPARATIVO DE LOS ACEROS AUTOPROTECTORES: A-242 (NORMA AMERICANA) Y S355J2G2W (NORMA EUROPEA).Tipo de Proyecto:Investigación Básica:

Investigación Aplicada: X

Desarrollo Tecnológico o Experimental:

Creación Artística: Otro:

Proyecto Presentado por: ALVARO H. FORERO PINILLA CESAR ORTIZ OTÁLORAJoven Investigador Grupo de Investigación

MATERIALES SIDERURGICOSSemillero de Investigación Lugar de Ejecución del Proyecto: UPTCCiudad: TUNJA Departamento: BOYACA

Duración del Proyecto (en meses): 12Fecha de iniciación (dd/mm/aaaa) 01-07-06 Fecha de Terminación (dd/mm/aaaa) 30-06-07Investigador Principal: ALVARO H. FORERO PINILLA c.c·#. 6747671 de TUNJALugar y fecha de nacimiento TUNJA,30-07-45Correo electrónico: alher31@hotmail.com Teléfono:7443080Dirección de correspondencia: UPTC-ESCUELA DE METALURGIAFacultad: INGENIERIA Escuela: METALURGIACentro de Investigación: CEDEC

Nombre del Grupo o Grupos de Investigación: (registre el nombre tal como aparece en el Aplicativo Grup-LAC) -

Total de Investigadores (número)

GRUPO DE MATERIALES SIDERURGICOS Escalafonado Docentes UPTC 5Reconocido X Investigadores ExternosAvalado Estudiantes postgradoRegistrado

GRUPO DE INVESTIGACIÓN DE SUPERFICIES, ELECTROQUÍMICA Y CORROSIÓN

Escalafonado Jóvenes investigadoresReconocido X Estudiantes pregrado /

Semilleros21Avalado

Registrado TOTAL 8Nombre de los co-investigadores: Arcesio Medrano, Héctor Alirio Pérez, Yaneth Pineda Triana

Nombre del semillero y/o del Joven Investigador que participa en el Proyecto: ALEJANDRA RIOS, BELCY LOPEZ

Nombre de la Línea de Investigación del grupo en la que se inscribe el proyecto: DISEÑO Y FABRICACION DE ACEROS

Objetivo de la línea de la investigación: Fabricación de aceros Recursos para la ejecución del Proyecto de InvestigaciónValor solicitado a la Dirección de Investigaciones UPTC: $ 9.600.000Aportes (efectivo + especie) UPTC : $ 56.350.000Aportes (efectivo + especie) cofinanciación : $

Valor total (solicitado + UPTC+ Cofinanciación) : $ Descriptores / Palabras claves: Acero, auto protector, corrosiónConvocatoria a la cual se presenta el proyecto: 0.10Evaluadores: Relacione 4 Investigadores Internos expertos en el tema de su propuesta (Nombres completos, correos electrónicos, número telefónico) 1. Ing. Alfonso López prerreducido@hotmail.com

2. Ing. Rafael Botíaprerreducido@hotmail.com

3. Dr. Enrique Vera prerreducido@hotmail.com

4. Ing. Salomón Botía prerreducido@hotmail.com

2. RESUMEN DEL PROYECTO

Colombia no ha estado ajena a los cambios tecnológicos en el desarrollo de nuevos materiales a pesar de ser un país con dificultades económicas, sociales y políticas. Actualmente ACERIAS CALDAS fabrica aceros autoprotectores utilizados en puentes y grandes estructuras, pero lo hace sólo por pedido especial de un cliente. Este producto que se fabrica allí, contiene entre otros elementos cobre, siendo uno de los principales responsables de las bajas velocidades de corrosión. En Europa se fabrica este mismo acero, pero entre sus elementos aleantes no se encuentra el cobre.

Estos materiales denominados autoprotectores, patinables o intemperizables (“weathering steels”), o aceros del grupo de alta resistencia y baja aleación (HSLA), en los que ciertos aleantes, incluidos como, cobre, cromo, níquel, fósforo y silicio, en un porcentaje total que no supera el 3 por ciento en peso, contribuyen a la formación de una capa de herrumbre estable, adherente y protectora, que los torna en materiales de muy buen comportamiento frente a la corrosividad de ciertas atmósferas, sin necesidad de ser pintados o protegidos con algún otro tipo de recubrimiento.

El objetivo de este proyecto es comparar los aceros autoprotectores A- 242 y S355J2G2W en su contenido químico, propiedades mecánicas y propiedades electroquímicas. La metodología a emplear es seleccionar los materiales requeridos para el análisis respectivo, cortar las probetas para el ensayo metalográfico, pulir y tomar fotografías, este ensayo se realizará por microscopia óptica y electrónica de barrido, cortar probetas para el ensayo de flexión, tracción y torsión, con las dimensiones requeridas para cada uno, colocar muestras representativas para exponerlas a una simulación de comportamiento ante ambientes corrosivos (corrosión urbana) y realizar un análisis químico de la herrumbre de cada uno de los aceros. El estudio de este proyecto busca determinar qué acero posee mejores características mecánicas y electroquímicas determinando el elemento aleante que lo hace superior y hacer el diseño y fabricación del mismo a nivel de laboratorio. Además se busca a futuro la factibilidad de producción de este tipo de material en Colombia para abastecer por lo menos la demanda interna del país.

3. DESCRIPCION DEL PROYECTO

3.1 Planteamiento de la pregunta o problema de investigación y su justificación en términos de necesidades y pertinencia: La corrosión atmosférica del acero auto protector se produce en su etapa inicial de la misma manera que la del acero al carbono, disminuyendo considerablemente a medida que el tiempo de exposición aumenta, como consecuencia de la formación de la capa protectora mencionada y del enriquecimiento de la superficie con sus elementos de aleación por la disolución selectiva del hierro en la matriz, lo que

puede producir el ennoblecimiento de la superficie con cobre o níquel, o su pasivación en presencia de cromo. Las propiedades protectoras de la herrumbre formada sobre los aceros autoprotectores depende, además de la composición química del metal, de las condiciones de los ciclos de humectación y secado, el pH y composición del agua lluvia, así como de los contaminantes atmosféricos (cloruros, azufre, material particulado, etc.). Los aceros auto protectores están fabricados bajo las normas: EN 10155, ASTM A-242, se distinguen de los aceros al carbono comerciales por su comportamiento frente a la corrosión atmosférica, gracias a sus elementos de aleación, pero no pueden ser catalogados como inoxidables.

Su aplicación esta determinada por las siguientes características:Los renombrados COR-TEN, norma EN-10155.

En reducción de costos y acabados de las fachadas, cuando son empleados, no necesitan ser repintados periódicamente, y las condiciones atmosféricas contribuyen en la lenta propagación de la corrosión.

En acabados con superficies pulidas: los costos de tratamientos superficiales se reducen, la carga y el transporte no causa daños. No necesita retoques de pintura después de la construcción. Cuando se utilizan tuberías para construcción de puentes, no deben pintarse repetidamente simplificando el trabajo de mantenimiento.

Para las fachadas: el acero auto protector es un material ecológico, este presenta doble reducción en cuanto protección del desgaste ambiental con el paso del tiempo y la reducción de consumo de acero, además es 100% reciclable.

En conductos de gases a la atmósfera: algunas veces el óxido sulfuroso se puede condensar y formar ácido sulfúrico, aunque ocurra esporádicamente el acero autoprotector tiene la resistencia química adecuada para soportar estos ácidos. Por esta razón son utilizados para chimeneas empleadas en hornos.

En condiciones de pintura: los aceros auto protectores en condiciones de pintado se emplean para botes, contenedores de transporte de carga marítima.

En general se emplean en estructuras de edificios, tanques de transporte, contenedores de carga, puentes, intercambiadores de calor. Estructuras de aceros y similares.

Los aceros autoprotectores poseen además unas características técnicas como son: corrosión, conformado y soldadura las cuales se describen a continuación.

Corrosión: en orden en el control del comportamiento de la corrosión atmosférica, los aceros autoprotectores son aleados, con pequeñas cantidades de cromo, níquel, cobre, fósforo y además el medio ambiente también tiene un efecto significante en el comportamiento de la corrosión.

Cuando la superficie del acero esta expuesta al aire libre, el oxígeno y mezclas de gases, se produce una capa de óxido compacta, denominada Patina desarrollada sobre la superficie del metal, previniendo así una gran propagación de la corrosión.

Conformado: los aceros autoprotectores pueden ser conformados en frío lo mismo que los aceros estructurales corrientes, dependiendo de la aplicación se utilizan las diferentes clases de aceros resistentes a la corrosión atmosférica.

Soldadura: estos aceros son susceptibles de soldar por cualquier proceso de soldadura, empleando o no precalentamiento.

Para determinar el comportamiento del acero frente a la corrosión atmosférica se han desarrollado varios estudios que incluyen, el análisis de las capas de óxidos formados en la superficie del acero. Pruebas electroquímicas, impedancia, entre otros que demuestran la viabilidad para ser utilizados como elementos estructurales

Algunos estudios realizados en atmósferas marina e industrial de alta agresividad han revelado una velocidad de corrosión similar a la del acero al carbono, pues en estas atmósferas el acero autoprotector es incapaz de desarrollar una pátina de herrumbre protectora. Es normalmente aceptado que la pátina protectora formada en la superficie del acero autoprotector está constituida por una capa interna adherente y estable de óxidos y oxi-hidróxidos amorfos de hierro y una capa externa porosa de especies más cristalinas. La composición de estas capas de herrumbre depende fundamentalmente de las condiciones de exposición.

Aunque la mayoría de los autores señalan que se requieren entre 8 y 10 años para la completa conformación de dicha pátina algunos investigadores indican que sólo se requiere 3 años de exposición. Colombia no ha estado ajena a los adelantos tecnológicos en el desarrollo de nuevos materiales y desde hace varios años diferentes tipos de aceros autoprotectores se han estado comercializando y numerosas estructuras han sido construidas con este tipo de aceros. De la misma manera, varias compañías nacionales que operan en la producción de aceros, se han interesado en la fabricación de aceros auto protectores, por lo cual se hace indispensable evaluar las propiedades frente a la corrosión atmosférica de los mismos en diferentes tipos de ambiente.

Para estos aceros autoprotectores tenemos la siguiente composición química:

Según la norma ASTM A242 – A588 y EUROPEA EN-10155.

Tabla 1.Composición química de los aceros autoprotectores.

A-242 A-588 EN 10155(S 355 J2G2W)

C 0,169 0,231 0.16max.Si 0,196 0,204 0.5 max.Mn 0,882 0,929 0.15 –1.5S 0,027 0,031 0.035 max.P 0,020 0,018 0.035 maxNi 0,110 0,178 0.4 –0.8Cr 0,138 0,468 0.5-1.25Mo 0,025 0,028 -Al 0,009 0,009 -Cu 0,375 0,277 -Pb 0,007 0,006 -Sn 0,028 0,032 -Ti 0,001 0,001 -V 0,003 0,0040 -

Para determinar el comportamiento del acero frente a la corrosión atmosférica se han desarrollado varios estudios que incluyen, el análisis de las capas de óxidos formados en la superficie del acero. Pruebas electroquímicas, impedancia, entre otros que demuestran la viabilidad para ser utilizados como elementos estructurales.

La idea es que a partir del estudio comparativo de los dos aceros referidos anteriormente Colombia pueda fabricarlo en línea y así mismo aumentar la demanda teniendo en cuenta las ventajas que puede brindar para la construcción de puentes y otras estructuras que cumpla con estas propiedades.

3.2 Los objetivos: El objetivo principal de este proyecto es hacer un estudio comparativo de los aceros auto protectores A- 242 y S355J2G2W en cuanto a composición química, propiedades mecánicas y propiedades electroquímicas. Además se quiere recopilar información a cerca de los aceros que se van a estudiar, ya que es muy poca la teoría que se puede encontrar a nivel Nacional a cerca de este tema. Para tener una idea clara de lo que un acero de esta categoría puede soportar en cuanto a medios corrosivos se van a exponer los aceros a varias condiciones de campo: agua, aire, ácido, temperatura con ayuda de los laboratorios de la UPTC. Se van a determinar las velocidades de corrosión de los aceros expuestos a cada una de las condiciones de campo y se va a realizar un análisis de la velocidad de corrosión de cada material. Finalmente se va a realizar una evaluación técnica y económica para determinar si es posible su fabricación en Colombia y así aumentar la demanda de este acero que tiene muy

buenas propiedades, lo que hace que las estructuras sean más confiables y estables en nuestra atmósfera terrestre.

3.3 Metodología Propuesta: Las etapas que se tendrán en cuenta para la realización de este proyecto son: inicialmente se cortarán las probetas requeridas para llevarlas a metalografía allí pasarán por el proceso de desbaste, pulido y toma de micrografías con el fin de observar cada una de las fases metalográficas correspondientes para los aceros en estudio. Así mismo estas probetas serán llevadas a microscopia electrónica y óptica con el fin de hacer un análisis cualitativo y cuantitativo de las fases presentes en la muestra de cada uno de los aceros en estudio. De una forma paralela se cortaran las probetas para los ensayos de flexión, tracción y torsión teniendo en cuenta las normas correspondientes para cada ensayo, con el fin de evaluar las propiedades mecánicas de los aceros en estudio. Las probetas que han sido analizadas por microscopia serán expuestas a ambientes corrosivos (corrosión urbana) con el fin de simular estas condiciones y así evaluar las propiedades electroquímicas de los mismos. Finalmente se realizará un análisis químico del herrumbre obtenido en cada una de las muestras para los aceros correspondientes.

3.4 Cronograma de Actividades:

Iniciación del proyecto: 1 de julio de 2006Terminación del proyecto: 30 de junio de 2007

ACTIVIDADES

MESES1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Revisión bibliográficaResponsable: Grupo de Materiales siderúrgicosObtención del material:Responsable: Grupo de Materiales siderúrgicosAnálisis metalográfico:Grupo de Materiales siderúrgicosRealización de ensayos: Grupo de Materiales siderúrgicos -GSECAnálisis de resultados Grupo de Materiales siderúrgicos-GSECSimulación de los aceros a medios corrosivos GSECAnálisis químico del herrumbre presente en los aceros GSECRealización del informe finalResponsable: Grupo de Materiales siderúrgicos

3.5 Resultados/Productos esperados y potenciales beneficiarios

Se espera de este proyecto poder comparar los dos aceros referidos, A-242 y el EN 10155(S 355 J2G2W) y someterlos a medios corrosivos con el fin de evaluar sus propiedades electroquímicas, así mismo ver la posibilidad de su diseño y fabricación para producirlos en el país.

Tabla 3.5.1 Generación de nuevo conocimiento

Resultado/Producto esperado Indicador BeneficiarioParticipación en eventos (ponencias)

Divulgación de la investigación

Sector Académico y científico

Trabajos de gradoIntercambio de experiencias científicas

Sector Académico y científico

Cooperación a nivel industrialIntercambio de experiencias científicas

Sector Académico y científico

Fortalecimiento de la comunidad científica

Apropiación del nuevo conocimiento

Sector Académico y científico

Divulgación generalMediante la publicación de artículos y participación en eventos

Sector académico, científico y tecnológico

Tabla 3.5.2 Fortalecimiento de la comunidad científica

Resultado/Producto esperado Indicador BeneficiarioPregrado Una Tesis de Pregrado El sector académico

Jóvenes Investigadores Jóvenes InvestigadoresLos recientes profesionales y en general el sector académico en formación

Tabla 3.5.3 Apropiación social del conocimiento

Resultado/Producto esperado Indicador Beneficiario

Articulo en revistaPublicación nacional y/o internacional

La comunidad científica en general y el sector Industrial mediante la aplicación de nuevo conocimiento en el tema propuesto.

Evento

Divulgación de resultados en eventos relacionados con el estudio de los aceros y sus propiedades electroquímicas y mecánicas.

Comunidad académica, científica, sector industrial y todos aquellos interesados en el tema de los aceros auto protectores.

3.6 Impactos esperados a partir del uso de los resultados:

Impacto esperado

Plazo (años) después de finalizado el proyecto: corto (1-4 ), mediano (5-9), largo (10 o más)

Indicador verificable

Supuestos*

La implementación de una metodología que permita la obtención de los aceros auto protectores capaces de brindar las propiedades requeridas y que soporten medios corrosivos urbanos

2

Piezas de acero auto protector A-242 y el EN 10155(S 355 J2G2W) que estarán en diferentes medios corrosivos con el fin de evaluar sus propiedades electroquímicas

Alta eficiencia de los aceros auto protectores comparados.

Formación de recurso humano que permita el fortalecimiento científico del grupo

5

Inserción de recurso humano como docentes investigadores

Necesidad de relevo generacional en las instituciones universitarias colombianas

Académico 2

Formación de semilleros de investigación y jóvenes investigadores

Diseño del acero EN 10155(S 355 J2G2W)

Económico 10Disminución de costos

Probable elaboración del acero auto protector

3.7. CONFORMACIÓN Y TRAYECTORIA DEL GRUPO DE INVESTIGACIÓN DE MATERIALES SIDERURGICOS.

El Grupo de Siderurgia, fue creado en 1997 ha sido liderado por el Dr. Ing. Alfonso López Díaz, docente e investigador de la Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia, además, de haberse desempeñado en la industria privada, actualmente esta bajo la dirección del Ing. Álvaro Forero Pinilla.

En el grupo de investigación se cuenta con profesionales especializados en disciplinas complementarias a la temática objeto de trabajo, con experiencia investigativa y laboral en el campo de la Siderurgia.

Tanto la UPTC como en particular el Grupo de Materiales Siderúrgicos, han tenido un notable desempeño en el campo investigativo como lo demuestran los proyectos inscritos y financiados por COLCIENCIAS en el campo de la Siderurgia.  El grupo ha participado como asesor en diferentes investigaciones institucionales con el apoyo de estudiantes tesistas y en temas relacionados con solución de problemas del sector siderúrgico de la región y del país, logrando realizar diferentes trabajos de mutuo interés y conformar grupos interdisciplinarios con profesionales de empresas tales como Aceros Arequipa, (Perú), Acerías Paz del Río S.A., Siderúrgica de Boyacá actualmente Grupo DIACO, Laminados Andinos y Empresas del Sector Carbonero.

TRAYECTORIA DEL GRUPO DE INVESTIGACIÓN DE SUPERFICIES, ELECTROQUÍMICA Y CORROSIÓN

El GSEC, Grupo de Investigación en Superficies Electroquímica y Corrosión de la Escuela de Física, Facultad de Ciencias. Fundado en el 1998, funciona bajo la coordinación del Dr. Enrique Vera López y el trabajo de los investigadores: Cesar Ortiz y Ulises Piratoba. En este momento cuenta con líneas de investigación en: Polímeros conductores por síntesis electroquímica, Recubrimientos metálicos, Desarrollo de instrumentación y software para electroquímica y Corrosión, también se prestan servicios a la industria en el área de análisis de falla y en el campo de la corrosión. En la actualidad se cuenta con tres proyectos financiados por Colciencias, para trabajar en recubrimientos Cerámicos e Híbridos, Materiales Multiferroicos y desarrollo de un Sensor de Glifosato los cuales son un soporte de la Maestría en Metalurgia y Ciencia de Los Materiales de la UPTC, además se trabaja en convenio con empresas del sector como Petrobras, Emac Ltda, Insercor, Gases De Boyacá y Santander, PTS, con las cuales se realizan actividades como análisis de falla, evaluación de inhibidores.

3.8. BIBLIOGRAFIA

ENGINEERING FAILURE ANALYSIS, Premature Corrosion Failure, of structural highway components made from weathering steel, artículo 9, Italia 2002.

ACERALIA, Perfiles y comerciales Beams, sections y merchant bars revista, España 2001.

III CONGRESO INTERNACIONAL DE MATERIALES SIMPOSIO MATERIA 2005 Y VIII CONGRESO NACIONAL DE CORROSIÓN Y PROTECCIÓN, “Universidad de Antioquia”. Cartagena de Indias 11-16 de Septiembre de 2005.

MATERIALS CHEMISTRY AND PHYSICS. The corrosion mechanisms of carbon steel and weathering steel in SO polluted atmospheres. National Tsing Hua University, Taiwan 2002.

RAUTARUUKKI STEEL. Weathering structural steels for self protecting surfaces, artículo, Finlandia 2002.

INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA FÍSICA. SIDNEY H Avner. 1966

4. PRESUPUESTO

El presupuesto global está especificado en las siguientes tablas:

4.1. Presupuesto global de la propuesta por fuentes de financiación (en miles de $)

RUBROSFUENTES

TOTALUPTC COFINANCIACIÓN.

DINOTRAS

Efectivo EspecieEfectivo Especie

PERSONAL 33.750 33.750EQUIPOS 13.000 13.000

SOFTWARE

MATERIALES 4.100 4.100MATERIAL BIBLIOGRÁFICO 500 500

PUBLICACIONES 1.000 1.000

SERVICIOS TÉCNICOS 2.000 1000SALIDAS DE CAMPOVIAJES 2000 2000CONSTRUCCIONES No financiableMANTENIMIENTO No financiable

TOTAL 9.600 56.350

4.2. Descripción de Personal (en miles de $)

Nombre del Investigador*

CEDULA Formación Académica

Función dentro en

el proyecto

Dedicación Horas/

semana

RECURSOS

TOTALUPTC

COFINANCIACIÓN.

DIN

OTRASEfectivo

Especie

Efectivo Especie

Álvaro Hernando Forero Pinilla

6.747.671 Especialista Investigador principal

6 8.000

Cesar Armando Ortiz Otálora

19.335.555 Magíster Coinvestigador

5 5.750

Janeth Pineda Triana

63.444.786 Doctora Coinvestigador

55.000

Héctor Alirio Pérez

Magíster Coinvestigador

5 5.000

Arcesio Medrano

6.759.414 Especialista Coinvestigador

5 5.000

Alejandra Ríos Estudiante de Maestría

Auxiliar Investigación

20 2.000

N.N. Estudiante de Metalurgia

Auxiliar Investigación

20 1.500

N.N. EstudianteDe Metalurgia

Auxiliar Investigación

20 1.500

TOTAL 33.750

4.4. Descripción de los equipos propios (en miles de $)

EQUIPO Valor

Microscopio Electrónico de Barrido LEO 4306.000

Fluorescencia de Rayos X 1.000

Difracción de rayos X 2.000

Horno de Arco Eléctrico 3.000

Espectrometría por Absorción Atómica 1.000

TOTAL 13.000

4.5. Materiales (en miles de $)

Materiales* Justificación TOTAL

Probetas de acero A-242 y EN 10155(S 355 J2G2W)

Ensayos de tracción, flexión, torsión y preparación metalográfica

600

Reactivos Análisis Químico 1.000

Material de vidrio Preparación de reactivos 500

Materiales Microscopio Electrónico

Caracterización superficial y micro estructural de películas

2.000

TOTAL 4.100

4.6. Descripción y justificación de pasajes y gastos de viaje (en miles de $)

Lugar /No. De viajes

Justificación**Pasajes

($)Estadía ($)

Total días

RECURSOS

TotalUPTC

COFINANCIACIÓN.

DINOTRAS

Efectivo Especie Efectivo EspecieMedellín/4 Visita a

ACERIAS CALDAS para apropiación de conocimiento en aceros auto protectores

1000 1000 4 2000 2000

TOTAL 1000 1000 4 2000 2000

4.7. Servicios técnicos (en miles de $)

Tipo de servicio Justificación Total

Análisis Químico (Cualitativo y cuantitativo)

Análisis químico de los aceros 2000

TOTAL 2000