FABRICACIÓN Y CARACTERÍSTICAS DE LA HOJALATA

En este documento se desarrolla, con cierto detalle, las diferentes etapas en la fabricación de la hojalata: desde la obtención del acero base y sus distintas variedades, hasta las sucesivas secuencias del estañado de la misma.

Introducción

1.- ¿Qué es la hojalata y para qué se utiliza?

2.- Fabricación del acero

2.1.- Fabricación del acero base

2.2.- Secuencia de fabricación

2.3.- Composición del acero base

2.4.- Tipos de acero base

3.- Estañado

3.1- Estaño

3.2.-Estañado electrolítico

4.- TFS

 

Introducción a la hojalata

La hojalata es un material que, aunque su invención viene de la antigüedad, alcanzó su máximo desarrollo a lo largo del siglo XX. Fue Estados Unidos el que apostó fuerte por esta industria, llegando en la década de los “70” a su mayor actividad. Después, el gran despliegue de los envases para bebidas, el uso de aluminio como materia prima por Norteamérica, los envases alternativos y la obsolescencia de la industria siderúrgica americana, hicieron entrar en declive ese mercado.

No ocurrió lo mismo en otras zonas del mundo. Europa supo modernizar a tiempo sus empresas siderúrgicas, para mantener su competitividad y así resistir, la hojalata europea, en esta lucha contra el aluminio. Eso no evitó que una gran variedad de opciones de envasado hiciera algo de mella en el sector; no obstante, este respondió de forma acertada con una serie de fusiones metalúrgicas que mantuvieron su excelente nivel tecnológico.

También en otras áreas geográficas como Sudamérica, Extremo Oriente y Asia, el mercado de la hojalata industrial y otros productos recubiertos mantuvieron una buena posición en el mercado.

Hoy en día sigue siendo un sector importante a nivel mundial, aunque en continua lucha competitiva. Por ello, merece la pena conocer un poco cómo se fabrica este material.

1. ¿Qué es la hojalata y para qué se utiliza?

La hojalata es un metal que se forma a través de una mezcla entre láminas de acero para hojalata y un revestimiento catalítico o por pasividad, en ambas caras de este componente, de una película de estaño.

Este material es muy utilizado en la industria alimenticia para proteger y aumentar la vida útil de los productos envasados, como por ejemplo en sardinas, pimientos, tomates, granos, leche condensada, chocolate, especias, café y otros productos.

De la misma manera se ha expandido su uso a artículos del hogar como electrodomésticos, productos de limpieza, insecticidas y muchos más. También lo encontrarás en piezas de automóviles, materiales para la decoración o tapas de sellado.

2. ¿Cómo se hace la hojalata?

La hojalata normalmente es un 99% o más de acero y es, por tanto, esencialmente un producto compuesto de este material. El proceso de fabricación realmente empieza en el horno alto y en la fundición de estaño, pero en la práctica se considera que se inicia desde la fabricación del acero.

De hecho, es en este instante cuando se decide la composición y tipo de lingote de acero de hojalata para definir su futura utilización como producto laminado. En consecuencia, las materias primas básicas para la fabricación de la hojalata son el acero y estaño refinado.

2.1. Fabricación del acero base para la hojalata

Hay dos procedimientos básicos para obtener acero en bruto en estado líquido: a partir de mineral de hierro y de chatarra.

A.- A partir del mineral de hierro (proceso de fundición): el mineral de hierro es una roca compuesta de óxidos de hierro y de otros varios minerales (ganga). Inicialmente, los minerales y desechos metálicos empleados en la elaboración están llenos de impurezas. El hierro jamás está en estado puro en la naturaleza, por lo que se presenta la mayor parte de las veces en forma de óxidos y de sulfuros.

En el proceso industrial desarrollado en el alto horno, se trata de obtener un producto lo más rico posible en hierro, pero en él siempre aparecerán otros componentes. Entre las materias parásitas, muchas tienen una temperatura de combustión y de evaporación inferior a la del hierro, y desaparecerán al calentar este mineral.

También se encontrarán otros componentes de densidad inferior al hierro y estos flotarán en el metal en fusión. Es necesario aprovechar la facilidad que tiene el carbono para reaccionar con el oxígeno para liberar estas moléculas de los compuestos de hierro en forma de óxidos ferrosos (FeO), magnéticos (Fe3O) y férricos (Fe2O3).

El carbono, en su combustión, es un gran devorador de oxígeno, que tomará tanto del aire como del óxido para formar los compuestos CO y CO2 (monóxido y bióxido de carbono respectivamente). En esta operación, la parte excedentaria de carbono dejará trazas de este último combinadas con el hierro (del 3 al 6 %). Este material resultante en el alto horno se denomina “fundición”.

Si queremos liberar el carbono de este material, se debe realizar una operación complementaria, añadiendo oxígeno para formar nuevamente CO y CO2, gases carbónicos. También, este oxígeno puede reaccionar con otros elementos contenidos en la fundición, como el manganeso; y, así, generar óxido de manganeso (MnO), sílice (SiO2), alúmina (Al2O3), entre otros residuos.

Todas estas operaciones se realizan en primer lugar en el alto horno y después, como veremos más adelante, en la operación de refinado.

En resumen, podríamos decir que, después de una etapa de preparación del mineral en el taller de aglomeración, se realiza la extracción del hierro en el alto horno, con la ayuda de un combustible como el carbono (coke).

No obstante, todavía no se obtiene hierro puro, sino fundición de hierro, una mezcla líquida de hierro (96 %) más carbono (3%) y el restante proviene del resto de coke que no se ha quemado, en combinación con algunos residuos (fósforo, azufre…) procedentes de la ganga. En la figura número 1 se presenta un corte vertical de un alto horno.

(Figura número 1: Esquema de un alto horno)

B.- A partir de chatarra (procedimiento eléctrico): Los componentes con los que se alimenta el horno pueden ser desde materiales en estado bruto (piezas de maquinaria debidamente seleccionadas), hasta chatarra preparada, seleccionada, triturada, calibrada y con un contenido mínimo de hierro del 92 %. Todo este conjunto se funde en un horno eléctrico.

El arrabio (pig iron) o hierro de horno alto, y también la chatarra fundida en horno eléctrico, son aleaciones de hierro-carbono, frágiles y con altos contenidos de este último elemento. Así mismo, se puede encontrar un alto contenido de azufre y fósforo.

La fabricación de acero pertenece al proceso de refinamiento para reducir y controlar los porcentajes de otros elementos distintos al hierro, con el objetivo de producir lingotes de la pureza, características y maleabilidad requeridas.

En términos generales, estos elementos y las impurezas se reducen por la oxidación con óxido de hierro u oxígeno, y se eliminan por flotación con adición de materiales de alto punto de fusión (por ejemplo, piedra caliza).

En la actualidad, se emplean cuatro procedimientos básicos para la obtención de acero, que son: proceso Siemens-Martin o de crisol abierto, proceso Bessemer o Thomas, proceso de inyección de oxígeno superior (top-blown oxygen process) y horno eléctrico. Este último es poco utilizado para la fabricación de hojalata.

  • Proceso de “crisol abierto”: El crisol suele ser cargado con hierro fundido procedente del horno alto, chatarra y arrabio frío. Las impurezas son oxidadas provocando la formación de una escoria oxidante, y el combustible empleado se usará tanto en estado líquido como gaseoso.
  • La capacidad de un horno de este tipo alcanza hasta 400 toneladas y, mediante el uso de oxígeno a granel, de economía relativa, se busca la obtención de un alto rendimiento, llegando a las 50 toneladas/hora. Estos tipos de hornos para hojalata pueden ser fijos o basculantes.
  • Proceso Bessemer o Thomas: En este sistema, las impurezas son reducidas por inyección directa de aire u oxígeno, a través del metal fundido, por medio de toberas colocadas en el fondo del convertidor.

(Figura número 2: Elaboración del acero en el convertidor Thomas)

Para quemar el carbono de la fundición, se insufla aire o una mezcla de aire y oxígeno a través del metal en fusión, vertido en el convertidor, que es una gran retorta de acero de una capacidad de 25 a 50 toneladas. Las paredes refractarias del convertidor son de dolomita básica, inatacable a la cal que se introduce para eliminar el fósforo de la fundición.

La productividad y calidad se mejoran, controlando la composición del gas oxidante inyectado, ya sea, aire, aire enriquecido con oxígeno, oxígeno puro, mezcla de oxígeno o bióxido de carbono. Por ejemplo, la variante VLN (very low nitrógeno = muy bajo nitrógeno) no solamente aumenta la producción, sino que reduce la incorporación de nitrógeno al acero, que normalmente es indeseable.

Durante el proceso se distinguen varias fases o periodos. En el primer periodo se producen bastantes chispas, ocasionadas por la combustión del silicio que dura de 2 a 3 minutos. En el segundo se generan llamas por la combustión del carbono, con una persistencia de 10 a 12 minutos. En el tercero se caracteriza por la expulsión de gases provocada por el soplado posterior y la combustión del fósforo; su intervalo es de 3 a 5 minutos.

A lo largo del proceso se suelen añadir diferentes elementos sólidos como: cal, chatarra, ferromanganeso o arrabio especular, según las necesidades.

Existe el sistema llamado Duplex, que, aplicado a la fabricación de acero para hojalata, es la combinación del proceso ácido Bessemer con el de crisol abierto básico. En el convertidor se realiza la purificación principal, mientras que en la segunda parte del proceso se efectúa la reducción del fósforo.

  • Proceso de inyección de oxígeno superior: El proceso Bessemer es ampliamente usado, principalmente por su bajo coste de instalación y flexibilidad de operación; no obstante, tiene grandes limitaciones en cuanto a calidad final, ya que requiere de una materia prima con alto contenido de fósforo y restricciones en el uso de chatarra.

Estas dificultades afectaron fuertemente a algunos fabricantes, lo que condujo al desarrollo de los procesos de inyección de oxígeno superior, con el cual se obtienen aceros de hojalata con una calidad buena y constante, de bajo contenido en nitrógeno y alto o bajo de fósforo, según los requerimientos. Hay tres sistemas bastante usados para materiales laminados y son los llamados LD, DDAC y KALDO.

  • El proceso LD: fue el primero basado en la disponibilidad de oxígeno en grandes cantidades. Consiste en sustituir la inyección de aire desde el fondo de un convertidor Bessemer, por la inyección de un chorro de oxígeno a alta presión en la parte superior, lo que produce una fuerte agitación, y, por consiguiente, una oxidación muy rápida de las impurezas.
  • Es un procedimiento rápido y eficiente, con inversiones iniciales no mucho mayores que con el proceso Bessemer, que reduce los problemas de mantenimiento y produce un material de bajo contenido en Nitrógeno.
  • Una de sus limitaciones es el tener que usar hierros de bajo o medio contenido de fósforo. Este sistema fue desarrollado por dos compañías localizadas en Linz y Donawitz y, de las iniciales de estas ciudades, viene el nombre de proceso LD.
  • El proceso DDAC: es exactamente igual al anterior, salvo que se inyecta cal junto con el oxígeno. Es una tecnología de origen francés.
  • El proceso KALDO: fue desarrollado en Suecia. Utiliza tanto un crisol como horno rotativo y basculante, en donde se aplica un chorro de oxígeno en la parte superior y se adiciona cal por inyección o en trozos.

Los procesos de oxígeno son versátiles. Permiten el uso de razonables cantidades de mineral o chatarra, para producir acero de bajo fósforo y nitrógeno con buenas características mecánicas.

Una vez realizada la obtención del acero para hojalata por alguno de los procedimientos descritos, estando aún en el convertidor y en estado líquido, hay que transformarlo en estado sólido, realizando su colada. Industrialmente existen dos procedimientos de colada: el más clásico en el cual puede convertirse en lingotes (“colada en lingoteras”) o el procedimiento de “colada continua”.

  • Colada en lingotera: Es el proceso de colada de acero de hojalata convencional. Por medio de una cuchara, se va vertiendo el metal fundido en lingoteras, que una vez enfriadas dan lugar a lingotes manejables con los que se alimentan las siguientes operaciones.
  • Colada continua: Es el procedimiento más moderno de fabricación de planchas de acero para hojalata. Una de sus ventajas principales es que produce semiproductos de muy alta calidad. Además, permite rebajar costos de producción, y aumentar la productividad de la acería.
  • De hecho, gracias a este sistema, las operaciones son menos numerosas y más simples que en la colada en lingoteras. En la actualidad, está desterrando el uso de lingotes para aceros destinados a laminados.

  • (Figura número. 3: Colada continua)

En la colada continua, el contenido del convertidor es vertido por medio de una cuchara, de modo regular y sin interrupción, en una lingotera sin fondo y refrigerada, de sección tal que se corresponda con la de la plancha de acero para hojalata deseada.

Después, pasa a través de una serie de rodillos para su aplanado, y finalmente, por medio de un soplete de oxicorte, se cortan las planchas a la longitud deseada. De esta manera, se obtienen planchas (slab de hojalata) con una longitud entre 5 a 20 metros, anchura hasta algo más de un metro y espesor de unos 20 cms.

2.2. Secuencia de fabricación.

La figura número 4 presenta una secuencia de las diferentes operaciones o fases de elaboración de las planchas de acero que serán la materia prima básica en las plantas de fabricación de hojalata.

(Figura número 4: Fabricación de planchas de acero)

Cuando se ha empleado el proceso de colada en lingotera, una vez fundido el acero en lingotes, la primera operación que se efectúa es el laminado del lingote de acero para hojalata y así convertirlo en plancha (slab).

Esta operación se suele efectuar en trenes de laminación reversibles, de doble alto. Los del llamado tipo Universal, tienen cilindros o rodillos laterales que trabajan simultáneamente las cuatro caras del lingote, eliminando la operación de girar sobre su eje el material durante esta etapa.

El producto final de esta operación, la plancha o slab, tiene de 125 a 230 milímetros de espesor, el ancho aproximado de la hojalata en acero que finalmente se desea obtener, y una longitud que depende del tamaño del lingote original.

Las planchas generadas tanto por colada continua como por laminado de lingotes quedan preparadas para ser tratadas en el laminado en caliente.

El laminado en caliente es el paso siguiente. Aunque normalmente hay una etapa intermedia, que consiste en enfriar y almacenar las planchas, hacer un proceso de selección, una preparación de la superficie (escarpado) y un calentamiento de la plancha de hojalata a la temperatura conveniente para el laminado.

Eliminar esta etapa intermedia requiere una programación muy exacta, y una capacidad tecnológica muy alta, que asegure la ausencia de defectos en las planchas o slabs. En la figura número 5 se aprecian las diferentes fases del laminado en caliente.

(Figura número 5: Proceso de laminado en caliente en el acero de hojalata)

La preparación de la superficie se realiza en la “descascarilladora”, en la cual se somete a la plancha a un desprendimiento de óxidos de hierro e impurezas, por medio de una débil presión de laminado, para desprenderlos por la acción de agua a alta presión.

La plancha se calienta a una temperatura de 880º Centígrados. Es necesario eliminar esta capa de óxidos debido a que perjudica el laminado y provoca desgaste rápido de los cilindros, estrías sobre el metal, incrustaciones de óxidos u otros defectos de fabricación de hojalata (roturas, deslizamientos o pliegues).

El tren de laminación en caliente reduce la plancha a una banda continúa de unos 2 milímetros de espesor; normalmente se compone de dos secciones, una de desbaste y otra de acabado. Puede ser de tipo continuo o reversible, dependiendo de la capacidad de la instalación, entre otras.

El tren de desbaste suele constar de 4 a 6 cajas que reducen el espesor inicial de la plancha entre un 25 a 50% por caja. El tren de acabado dispone de 4 a 7 cajas, reduciendo de nuevo el espesor entre el 25 a 30 % por caja, salvo la última que solo reduce un 10 %.

La velocidad máxima de esta operación puede llegar hasta los 100 kilómetros/hora. A la salida el material se encuentra a 850º Centígrados. Luego se procede a un enfriamiento por cortina de agua hasta el 590º centígrados, para formar bobinas de acero para hojalata.

La bobina (coil) producida debe ser decapada y lubricada antes de proceder a su laminación en frío. Esta operación se suele efectuar en una sucesión de tanques que contienen ácido sulfúrico diluido caliente (próximo a 100º Centígrados), lavado, secado y lubricado con aceite de palma u otro lubricante adecuado para la laminación en frío.

La línea de decapado va provista, normalmente, de una cortadora circular, que remueve los bordes, asegurando así que estos son adecuados para la reducción o laminación en frío; además, se encarga de fijar el ancho máximo de la hojalata que se obtendrá y también el que entregará los mejores resultados económicos.

(Figura número 6: Laminado en frío, recocido y “skin-pass” del acero base para hojalata)

La operación siguiente es el laminado en frío, que se puede hacer en trenes continuos (tándems) o reversibles. Durante esta operación, se utilizan lubricantes y refrigerantes y el espesor resultante es muy cercano al final deseado. La reducción es, por tanto, de 1.8 o 2 milímetros a una medida entre 0.15 a 0.3 milímetros aproximadamente según el calibre final de la hojalata a producir.

La bobina obtenida es de un material muy duro, sujeto a fuertes tensiones, que necesita un tratamiento adecuado para darle la maquinabilidad necesaria, provocando una recristalización del acero.

Este tratamiento se llama recocido (annealing) y se trata de un calentamiento del metal en una atmósfera reductora para evitar toda oxidación (mezcla de nitrógeno y de hidrógeno); puede hacerse continuo (continous annealing) o en hornos de campana (batch annealing).

Recocido continuo: La banda circula a través de un horno a una temperatura de 630º Centígrados, permaneciendo un tiempo mínimo cada punto del material 1,5 minutos en el horno. El recocido continuo presenta una serie de ventajas e inconvenientes, como son las siguientes.

Ventajas:
  • Reducción de los materiales “en curso” de fabricación.
  • Reducción de los plazos de fabricación.
  • Mejora de la calidad de los productos fabricados:
    • Calentamiento constante y continuo a todo lo largo de la bobina, con lo que se consiguen propiedades mecánicas más homogéneas.
    • Ciclo rápido, con lo que se obtienen granos equiaxiales, y, por lo tanto, un metal isótropico y propiedades mecánicas superiores, como una mejora del límite elástico.
    • Mejor resistencia a la corrosión. El ciclo rápido no permite que elementos tales como el carbono, manganeso o fósforo se desplacen hasta la superficie del material como ocurre en el recocido base o en campana.
    • Permite la utilización de una composición de acero tipo MR, menos cargada de elementos endurecedores: carbono, manganeso… (Recocido continuo = 0.08 % de carbono, Recocido base = 0.10/0.13 % de carbono) lo cual favorece a operaciones como la soldadura, especialidades entre otras características.
Inconvenientes:
  • Fabricación:
    • Difícil programación de los pedidos, ya que la máxima variación de anchura entre bobinas consecutivas es del orden de 50 mm, y de espesor del orden del 10 %.
    • Delicada conducción de la línea. Riesgo de ruptura de la banda en el horno. Supone una importante parada. El límite elástico de la banda a la temperatura del horno de recocido es bajo (30 N/mm2 aprox.)
    • Imposibilidad de paradas de línea.
  • Utilización:
    • Cristalografía fina que genera un metal menos dúctil, de anisotrópica débil y que perjudica la embutición.
    • Riesgo de presencia de líneas de Lüder.

Recocido en campana: Varias bobinas de hojalata apiladas se cubren con una campana en atmósfera reductora a 680º centígrados de temperatura durante un tiempo al menos de 85 horas, repartidas en 32 horas de calentamiento, 34 de enfriamiento bajo campana hasta los 170º Centígrados, y 19 horas de enfriamiento acelerado al aire libre.

(Figura número 7: Esquema del proceso de recocido en campana.)

En ambos casos, es indispensable eliminar previamente los residuos de los agentes lubricantes y enfriadores usados anteriormente, siendo el método empleado para ello consecuente con el tipo de recocido que se realice. Normalmente es por medios electroquímicos, como baño de desengrasante calentado a 95 º Centígrados o mecánicos, con cepillado por las dos caras.

A continuación, se procede a la operación de templado, tratamiento superficial o acabado (temper rolling o skin-pass). Se hace por medio de una reducción o laminación, sin lubricante y muy ligera, que no suele exceder del 2% en espesor.

Para ello, se emplea un tren de laminación formado por dos cajas. La banda, al pasar entre los cilindros bajo el efecto de la presión y tracción establecidas, sufre una modificación superficial de la estructura que consigue un aumento en la dureza de la capa superficial, pero que conserva la suavidad interna.

En resumen, esta operación da a la banda la dureza deseada, un buen aplanado y una superficie de acabado del material en función de la rugosidad de los cilindros empleados en las cajas del tren de laminación.

Combinando el acabado superficial de los cilindros de las cajas de esta laminación, y el refundido final del estaño después de la operación de estañado, se consiguen diferentes acabados de la hojalata superficiales. Los principales tipos de acabados son:

  • Acabado brillante de hojalata: Para realizar este acabado, es indispensable obtener en los cilindros un pulido a espejo. Además, es necesario aplicar la refusión del estañado. Este tipo de acabado es, junto al de piedra, el más solicitado.
  • Acabado piedra de hojalata: Los cilindros se someten a dos pasadas de rectificación con una muela de grano especial, que da al producto un aspecto como estriado. Como en el caso precedente, el revestimiento de estaño se refunde, lo cual además asegura la brillantez.
  • Acabado mate de hojalata: Presenta una superficie poco reflexiva. Para realizarlo, los cilindros se granallan y la operación de refusión después del estañado se suprime.

Cuando se trata de hojalata doble reducida, la última reducción de calibre se hace sustituyendo la operación de templado por una nueva reducción de calibre o laminación de aproximadamente 33%, con el consiguiente alargamiento del material en un porcentaje similar, usando esta vez lubricantes superficiales. Así se transmite a la hojalata unas características mecánicas elevadas con un espesor pequeño.

Es una práctica corriente preparar las bobinas antes de la operación de estañado. Consiste principalmente en cortar los bordes y eliminar las secciones de baja calidad o de calibre fuera de especificaciones formándose bobinas de tamaño óptimo para la línea de estañado.

En el estañado electrolítico para la hojalata, el material preparado pasa en forma continua por las operaciones de limpieza electrolítica, decapado electrolítico, electrodeposición del estaño, refundido del estaño (low-melting), tratamiento de pasivación y lubricación.

Después de esta serie de operaciones, el producto puede ser cortado en hojas al tamaño ordenado (largo, ya que el ancho se dio al preparar las bobinas), inspeccionado, seleccionado y empacado; o ser embobinado para enviarse al cliente o ser cortado en una línea de corte separada.  Es normal efectuar en la misma línea, la selección del material, antes de empacar.

Más adelante volveremos sobre estos puntos más de la selección de hojalata detalladamente.

2.3. Composición del acero base

El acero base para hojalata es, esencialmente, un metal suave de bajo contenido de carbono con una composición genérica de este tipo:

Carbono04 – 0.15 %
Silicio08 % máximo
Azufre015 – 0.05 %
Fósforo01 – 0.14 0025
Cobre02 – 0.20 %
Manganeso0.20 – 0.70 %
Nitrógeno0.001 – 0.025 %

Debido al uso de chatarra en la fabricación de acero para hojalata, pueden existir otros componentes como el níquel, cromo y estaño; pero intencionadamente, no se añade ningún otro elemento. Las únicas excepciones son el fósforo y el nitrógeno que pueden aportar propiedades especiales. El uso de cobre para aumentar la resistencia a la corrosión y de algunos carburos para controlar el envejecimiento, ha caído en desuso.

La influencia de algunos elementos en el acero base de la hojalata, se da a grandes rasgos y lo explicamos en los párrafos siguientes:

  • Carbono: El carbono aumenta el límite elástico, el límite de rotura a la tracción y la dureza, disminuye la elongación y la ductilidad. Dentro de los límites usuales del carbono en la hojalata, las variaciones en el contenido de este elemento tienen escasa importancia, ya que otros elementos influyen mucho más.
  • Silicio: El silicio en hojalata existe como un elemento residual y muy raramente se le añade como agente desoxidante. Endurece ligeramente y, en algunos casos, afecta desfavorablemente la resistencia a la corrosión.
  • Azufre: En este tipo de acero con azufre en hojalata, los efectos del azufre son contrarrestados por el manganeso que siempre está presente. Sin embargo, debido a sus consecuencias sobre la ductilidad, calidad de superficie y resistencia a la corrosión, se hace lo posible, dentro de límites económicos, para reducirlo al mínimo.
  • Fósforo: El fósforo en hojalata es un elemento que influye altamente sobre la dureza y la resistencia a la corrosión. Cuando hay posibilidades de corrosión ácida, debe mantenerse dentro de determinados límites, y se aumenta el contenido cuando se requiere una mayor resistencia del acero y no hay peligro de corrosión.
  • Cobre: El cobre en la hojalata, aunque aumenta la resistencia, no lo hace con eficacia dentro de los rangos usuales ya que, al sobrepasar estos límites, aumenta la resistencia a la corrosión atmosférica; sin embargo, es probable que reduzca la resistencia a la corrosión interna, por lo que en la mayoría de los tipos de hojalata se especifica un máximo de este elemento.
  • Manganeso: El manganeso en hojalata se emplea principalmente para que reaccione con otros elementos como el azufre, para volverlos inoperantes.
  • Nitrógeno: El nitrógeno en hojalata para aceros Bessemer, es un elemento constituyente normal en porcentajes superiores al 0.01%, y siempre se consideró como una desventaja.
  • Con posterioridad, se ha encontrado que su adición intencionada aumenta mucho la resistencia del acero sin modificar apreciablemente la resistencia a la corrosión, aunque puede afectar el envejecimiento. El desarrollo de los procesos de oxígeno (LD entre otros) ha permitido controlar con exactitud el contenido del nitrógeno para obtener una calidad uniforme y continua.
  • Níquel: El níquel en hojalata, en los niveles permitidos, no afecta mayormente las propiedades física-mecánicas de este material, pero sí las químicas, especialmente la corrosión en ciertos tipos de envasados. Lo mismo ocurre con el cromo.
  • Estaño: Este elemento tiene una alta solubilidad en el hierro o acero, y se hacen necesarios porcentajes superiores al 10 % para que se forme una segunda fase; en los niveles normales, no tiene efecto en la estructura metalografía.
  • La presencia del estaño en hojalata aumenta progresivamente el límite elástico y el rango de rotura a la tracción, con una reducción en el módulo de elasticidad. Es importante notar que pequeñas cantidades de estaño, en aceros que contengan cobre, puede ocasionar graves dificultades en el trabajo en caliente del acero.

En la siderurgia, a veces se usan reglas prácticas para calcular los efectos de los elementos aleados y residuales en las propiedades mecánicas del acero para hojalata. Uno de los más comunes es el índice Strohmayer, que se calcula multiplicando el contenido de nitrógeno por 5, sumando el fósforo y multiplicando la suma por 1000.

2.4. Tipos de acero base

Tradicionalmente, existen tres tipos básicos de acero para hojalata, aunque, con las tecnologías actuales, resulta a veces difícil mantenerse dentro de los tipos clásicos. Estos son:

Tipo I: Es un acero de hojalata laminado en frío, procedente de hornos de crisol abierto (Siemmens Martin). Tiene un bajo contenido en metaloides y elementos residuales, especialmente limitado en fósforo, con la siguiente composición:

Carbono0.05 – 0.13 %
Manganeso0.30 – 0.60 %
Azufre0.04 máximo.
Fósforo0.015 máximo.
Silicio0.010 máximo.
Cobre0.06 máximo.
Níquel0.04 máximo.
Cromo0.06 máximo.
Molibdeno0.05 máximo.
Arsénico0.02 máximo.
Nitrógeno0.02 máximo.

Se utiliza cuando se busca una resistencia elevada a productos muy corrosivos.

Tipo MR: El acero para hojalata MR es el más empleado; proviene de la misma procedencia del anterior, laminado en frío, y usado en productos medianamente corrosivos. Su análisis es:

Carbono0.05 – 0.15 %
Manganeso0.30 – 0.60 %
Azufre0.04 máximo.
Fósforo0.020 máximo.
Silicio0.010 máximo.
Cobre0.20 máximo.

Tipo MC: Es un acero hecho en convertidor Bessemer u horno Siemmens Martin, utilizado cuando la resistencia y el contenido del envase es de baja corrosividad. Su análisis del acero para hojalata MC es el siguiente:

Carbono0.05 – 0.15 %
Manganeso0.30 – 0.60 %
Azufre0.04 máximo.
Fósforo0.03 – 0.15 %
Silicio0.010 máximo.
Cobre0.20 máximo.

Hay además algunos aceros especiales para hojalata como el tipo D, calmado al aluminio, utilizado en casos específicos de embutición profunda.

Por lo general, los fabricantes en Europa se han visto obligados a tratar de eliminar las producciones especializadas de hojalata para así encontrar procedimientos económicos y competitivos.

También tiene importancia, desde el punto de vista de resistencia a la corrosión, la superficie del acero para hojalata; la misma, en parte, depende de la clase de atmósfera empleada durante el recocido.

Una atmósfera que contenga nitrógeno, hidrógeno, bióxido de carbono y vapor de agua, produce una hojalata menos resistente que una de nitrógeno seco conteniendo de 4 a 8 % de hidrógeno. También los iones de estaño disueltos tienen, en general, un efecto inhibidor en la corrosión de la hojalata por algunos productos.

3. ESTAÑADO

3.1. Estaño

Cuando este material está destinado a la fabricación de hojalata, es lógico pensar que estará en contacto prolongado con productos alimenticios, y, por lo tanto, debe cumplir ciertos requisitos en cuanto a impurezas.

La Sociedad Americana de Pruebas y Materiales (ASTM) hace una clasificación en cinco grupos, con contenidos mínimos de estaño cada una señalados a continuación: Grado AA = 99.98 % de estaño, A = 99.80 %, B = 99.7 %, C-1 = 99.0 % y C-2 = 99.0 %. El mínimo especificado de estaño para la fabricación de hojalata es el grado A. Su análisis es:

Estaño (mínimo)99.80 %
Antimonio0.04 %
Arsénico0.04 %
Bismuto0.015 %
Cobre0.03 %
Hierro0.015 %
Plomo0.05 %
Níquel y Cobalto0.015 %
Plata0.01 %
Azufre0.003 %
Zinc0.001 %
Cadmio0.001 %
Aluminio0.001 %

 

3.2. Estañado electrolítico

El desarrollo de este procedimiento de estañado fue uno de los pasos más importantes en la industria del sector. La electro-deposición del estaño en una cinta estrecha continua (eje), se inició en Alemania en 1930, pero fue durante la 2ª Guerra Mundial cuando la técnica de estaño en hojalata se desarrolló intensamente, principalmente en USA, debido a la escasez de este componente.

Hay una gran cantidad de razones técnicas y económicas que hicieron que la hojalata electrolítica quitara del mercado a la hojalata coke o “estañadas en caliente”, que era el medio tradicional de obtenerla. Una de las más importantes es el control preciso de la cantidad de estaño depositado y la uniformidad en espesor. Otra es la disponibilidad de hojalata electrolítica diferencial, que consiste en aplicar diferentes espesores de recubrimiento de estaño en cada cara de la hoja.

Como ya hemos indicado en la operación de templado del acero base, la hojalata electrolítica se produce en varios acabados, aunque tres son los más usuales. “Brillante”, que es el más común, “mate” que consiste en estañar acero base con una superficie rugosa y después no refundir el estaño y, por último, “piedra”, que es el mismo acabado anterior, pero refundiendo el estaño.

Los métodos de fabricación son dos: el proceso ácido y el alcalino o básico. Este último presenta dos variantes de amplio uso: líneas halógenas horizontales y líneas alcalinas o verticales. Hay un cuarto procedimiento, que utiliza como electrolito fluoboratos, pero que es muy poco utilizado.

Las líneas que utilizan el proceso ácido son las que producen el mayor porcentaje de hojalata electrolítica. Frecuentemente son llamadas hojalata Ferrostan, por ser este nombre el registrado en su día por U.S. Steel, habiendo posteriormente muchas licenciatarias de su tecnología en el mundo.

Los electrolitos son la parte más delicada en cada proceso. Por ejemplo, en las líneas ácidas, es una solución de sales estanosas en ácido, pero el buen funcionamiento como electrolito depende de los aditivos usados, que tienen tres objetivos principales: evitar la oxidación, favorecer la formación de depósitos compactos y no esponjosos, y mejorar la humectabilidad.

Algunas ventajas clásicas de usar electrolito alcalino son disponer de un electrolito más sencillo, fácil de manejar y no corrosivo con relación al acero, lo que reduce el coste inicial del equipo. También la sección preparatoria es más sencilla.

Las líneas ácidas tienen la ventaja de utilizar menos corriente para el estañado que las alcalinas, es por tanto necesaria una menor superficie de ánodo, y la eficiencia eléctrica es mayor en la electro-deposición. Sin embargo, las líneas alcalinas producen una hojalata con mejores características de resistencia a la corrosión.

En términos amplios, los tres tipos de líneas se componen de las siguientes secciones:

      • Desbobinado
      • Preparación
      • Estañado
      • Acabado
      • Corte-embobinado – embalaje

La sección de entrada o desbobinado tiene los equipos necesarios para el manejo de las bobinas de chapa negra y para la alimentación continua de la línea. Todo esto mediante el corte del principio y final de cada bobina, y la soldadora eléctrica del fin de una con el principio de la siguiente. Incluye rodillos guía y de alimentación, de tensión u otros tipos.

Entre la sección de desbobinado y preparación, hay un dispositivo para almacenar banda de chapa negra, destinado a acumular una cierta cantidad de banda, que alimenta la línea mientras se efectúa el cambio y empalme de bobina en la sección previa de desbobinado. Hay varios tipos, predominando los de pozo y los de “acordeón”.

La sección de preparación tiene dos objetivos principales, limpieza (desengrasado) y decapado. El primero es la eliminación de todos los elementos residuales en la superficie de la banda, provenientes de lubricantes o agentes enfriadores, mientras que el segundo pretende eliminar el óxido de hierro adherido a ambas caras de la banda.

El tratamiento se efectúa en una sucesión de baño químicos o electroquímicos, con lavados alternos a chorro de agua y/o vapor. La disposición y tipo depende de la línea; por ejemplo, el desengrasado es normalmente hecho en una solución detergente o alcalina y en las líneas de este tipo se elimina o disminuye porque se efectúa el desengrasado automáticamente en la sección de estañado.

La sección de estañado difiere totalmente en cada proceso, siendo la del proceso halógeno la que mayor superficie ocupa, ya que la banda se mueve plana, normalmente en 3 niveles, mientras que en los otros dos sistemas sigue una forma senoidal o de serpentín.

(Figura número 9: Línea de estañado, cuba electrolítica y ánodos)

Antes del estañado, se efectúan en la banda de chapa negra las marcas correspondientes a la hojalata diferencial, cuando es este tipo el que se fabrica; por tanto, estas marcas van sobre el acero base.

Algunos fabricantes marcan el acero base para que, en caso de dificultades posteriores, con el marcaje hojalata se pueda identificar al fabricante. Estas marcas no son visibles en la hoja como tal, por lo que es preciso encontrarlas en el laboratorio.

La sección de acabado incluye diferentes pasos, siendo los fundamentales: refusión, pasivación y lubricación.

  • La refusión: tiene por objeto dar un acabado brillante a la hojalata, ya que la simple electro-deposición del estaño produce una superficie micro-rugosa de aspecto mate. No obstante, este paso tiene una importancia fundamental para la parte del material destinado a estar en contacto con elementos corrosivos.
  • Durante la refusión de hojalata, se forma una capa de aleación hierro-estaño, y debido a la rapidez con que se produce, el espesor es muy delgado. De aquí se deduce que la hojalata mate, que no ha sufrido proceso de refusión, no debe usarse para aquellos fines que requieran la presencia de una capa de aleación hierro-estaño.
  • La pasivación: es una característica de la hojalata electrolítica. En ella, sobre todo en los recubrimientos bajos, es conveniente proveerla con una capa protectora que evite la oxidación, no solo durante la fabricación, sino también en operaciones sucesivas, como el barnizado.
  • También es necesario dar una superficie químicamente más apta para litografiar y barnizar, y con cierta dureza protectora. La pasivación de la hojalata pretende cubrir este aspecto, y fundamentalmente consiste en formar una capa de óxido crómico.
  • Los métodos empleados son varios químicos o electroquímicos, diseñados cada uno de ellos para obtener propiedades especiales.
  • Normalmente son conocidos por las siglas USS y un número de tres cifras, la primera indica el tipo de solución (1 = ácido crómico, 2 = fosfato de cromo, 3 = dicromato de sodio, 4 = carbonato de sodio), la segunda indica la polaridad de la hojalata en la solución (0 = no electrolítica, 1 = catódica, 2 = catódica/anódica) y la tercera cifra se refiere aproximadamente al nivel de corriente empleado.

Hay tres tipos básicos de pasivación de hojalata, que son:

  • Pasivación 300: Se obtiene por procedimiento químico, al sumergir en una solución de dicromato sódico, para generar una capa de óxido de cromo. Da buenos resultados desde el punto de vista de la adherencia del barniz, y ofrece una débil protección contra la sulfuración. Esta pasivación 300 de hojalata es inestable y su efectividad se va reduciendo con el tiempo.
  • Pasivación 311: Obtenida en base a un procedimiento electroquímico por deposición electrolítica en un baño de dicromato sódico de una capa de cromo y óxido de cromo. Es la pasivación 311 de hojalata más utilizada.
  • Tiene unos rendimientos convenientes desde el punto de vista de la adherencia de barnices, aunque inferiores a la pasivación 300. Es mucho más estable en el tiempo que la 300. Por tanto, se puede considerar un compromiso entre la estabilidad en el tiempo y la calidad de la adherencia de los sistemas litográficos.
  • Pasivación 312: Se consigue por el mismo sistema que la 311; de hecho, es una pasivación 311 reforzada. Se utiliza, principalmente, para las hojalatas que deben resistir productos sulfurantes, como carnes, sopas, productos para perros y gatos entre otros. Su adherencia a tintas y barnices es inferior a la 311.

Los diferentes tratamientos de pasivación de hojalata no solo afectan a la adherencia de barnices o soldadura, sino que también producen diversas formas de ataque o manchado, al estar sujeta la hojalata al contacto con productos corrosivos, o con compuestos azufrados. Aun desde el punto de vista estético o de presentación, este detalle reviste importancia, por ejemplo, con la leche condensada.

  • Por último, la sección de acabado efectúa la operación de lubricado: Este lubricante tiene por objeto, no tanto proteger la hojalata en sí, sino la pasivación. Para no contrarrestar las propiedades de esta, es muy ligera, por lo que el método de aplicación más comúnmente usado es por electrodeposición, aunque por aspersión o inmersión también funciona.
  • Tres tipos de aceite son empleados normalmente: aceite de semilla de algodón, dioctilo sebacato y dibutil sebacato, aunque el segundo es el más usual. La cantidad normal de lubricante es de orden de 0.005 gramos/metros cuadrados. Se suele secar el lubricante por medio de serpentines de vapor y aire caliente.

Tres tipos de aceite son empleados normalmente: aceite de semilla de algodón, dioctilo sebacato y dibutil sebacato, aunque el segundo es el más usual. La cantidad normal de lubricante es de orden de 0.005 gramos/metros cuadrados. Se suele secar el lubricante por medio de serpentines de vapor y aire caliente.

La última parte de la línea de estañado de hojalata depende en su formación del producto final y de la productividad que se pretende obtener, más que del tipo de la línea (ácida, u otras). Si la producción es exclusivamente en bobinas, no habrá corte, pero sí existirá un dispositivo de almacenamiento de banda, para permitir el cambio de bobinas. Si la producción es exclusivamente en hojas cortadas, no es necesario el dispositivo de almacenamiento.

En la operación de corte, se hace la selección de defectos superficiales, pero este control no es muy eficiente debido a la velocidad de la línea, por lo que el producto obtenido se clasifica como “sin seleccionar” (unassorted). Si se desea separar “primeras” de “segundas”, es necesario utilizar los servicios auxiliares de una línea de selección.

Es en esta sección donde se separan las hojas de calibre fuera de especificaciones y las perforadas (“pin holes”). Cuando se entregan bobinas, lo normal es no hacer esta separación, que disminuye el rendimiento, quedando por cuenta del cliente hacer esta operación al efectuar el corte. La calidad “sin seleccionar” se define como producto normal de una línea de estañado electrolítico.

Una línea de estañado electrolítico para hojalata lleva un equipo auxiliar muy complejo, mucha más que misma línea; pasa algo parecido a los icebergs, que no se ve la parte hundida. El equipo eléctrico y electrónico, controles, bombas, tanques de electrolito, equipos de purificación, sistemas de agua y vapor o aire son de gran importancia y normalmente se encuentra instalados en subterráneos.

La velocidad de la banda durante el estañado es función de la corriente eléctrica disponible para la electrólisis, del estado del electrolito, del tamaño y espesor del material, de la deposición de estaño que se desea obtener y de otros factores.

4. TFS

Como consecuencia del aumento de precio del estaño y a riesgo de ver las fuentes de aprovisionamiento del mismo en peligro, durante el último tercio del siglo pasado se desarrolló un producto sustitutivo de la hojalata, el TFS o chapa cromada.

Este material suscitó un interés que ha ido aumentando con el paso del tiempo. Su ventaja radica en que es una opción perfectamente válida para la fabricación de tapas, fondos, accesorios y envases embutidos, y ligeramente más barato que la hojalata.

El TFS está constituido por un soporte idéntico al de la hojalata: el acero. Aunque la protección está asegurada, no por una ligera capa de estaño aplicada por deposición electrolítica y por una película de pasivación, sino por un revestimiento mixto de cromo y óxido de cromo.

En la siderurgia es frecuente fabricar el TFS sobre una instalación mixta, que puede producir hojalata o chapa cromada con una serie de cambios no muy complejos, que se realizan en un tiempo moderado. La aplicación de cromo se realiza también por sistema electrolítico. En la figura número 10 se aprecia la parte especial de una línea para la fabricación de chapa cromada

No entramos en detalle en su proceso de obtención, porque como ya hemos indicado el acero base es el mismo que para la hojalata, y la línea de recubrimiento sigue una secuencia análoga a la de estañado.

Finalmente, se debe mencionar la importante participación de las grandes compañías fabricantes de envases han tenido en los desarrollos en la fabricación de acero para hojalata, en la fabricación de la hojalata en sí, en otros materiales alternativos como TFS, y claro está, en su utilización.

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