5 - LAMINAÇÃO
A laminação é um processo de conformação mecânica no qual o material é forçado a passar entre dois cilindros, girando em sentidos opostos, com praticamente a mesma velocidade superficial e separados entre si de uma distância menor que o valor da espessura inicial do material a ser deformado.
A deformação plástica é provocada pela pressão dos cilindros sobre o
material;
Leonardo da Vinci projetou um dos primeiros laminadores em 1486, mas é pouco provável que seu projeto tenha sido executado. Por volta de 1600, a laminação do chumbo e do estanho era realizada à temperatura ambiente, por meio de laminadores operados manualmente.
Antes disso, os únicos laminadores existentes eram utilizados para operações de corte, em que pares de cilindros opostos dotados de discos cortantes (colarinhos) cortavam o ferro em tiras estreitas para a fabricação de pregos e produtos similares. Não havia, naquele processo, a pretensão de reduzir a espessura do metal.
A laminação é um processo que requer uma potente fonte de energia.
O advento das máquinas a vapor, durante a revolução industrial, foi o principal responsável pelo aumento da capacidade dos laminadores até que, a partir de 1900, essas máquinas foram substituídas por motores elétricos, largamente empregados nos tempos atuais.
A laminação pode ser a quente ou a frio. Pelo fato destas operações com freqüência serem as últimas e podem alterar a microestrutura do aço, elas devem ser projetadas de modo a permitir que a microestrutura desejada.
Durante a laminação, raramente passa-se o material somente uma vez entre os cilindros ou rolos de laminação, pois, a redução de área almejada não pode ser conseguida em um só passe. Deste modo, o equipamento de laminação deve ser capaz de submeter o material a uma seqüência de passes.
ou variando-se a distância entre os cilindros de trabalho, laminadores reguláveis durante a operação,
Neste último caso, a peça a ser trabalhada deverá ser deslocada ao longo dos cilindros para cada passe sucessivo.
Figura 5.2 – Esquema mostrando cilindros com canais de um laminador fixo.
Ao passar entre os cilindros, a força de atrito entre a peça e os cilindros promove uma deformação plástica, na qual a espessura é diminuída e a largura e o comprimento são aumentados.
A laminação é um dos processos de conformação mais utilizados na prática. Tal fato acontece porque este processo apresenta uma alta produtividade e um controle dimensional do produto acabado que pode ser bastante preciso.
O processo de laminação pode ser feito a frio ou a quente. Normalmente, a laminação a quente é usada para as operações de desbaste e a laminação a frio, para as operações de acabamento.
As matérias-primas iniciais para laminação são constituídas geralmente por lingotes fundidos; blocos, tarugos ou placas do lingotamento contínuo ou mais raramente placas eletrodepositadas.
Os principais objetivos da laminação são:
1. obter um produto final com tamanho e formato especificados, com uma alta taxa de produção e um baixo custo;
Para obtenção de produtos laminados as principais etapas são: 1. preparação do material inicial para a laminação;
2. aquecimento do material inicial;
3. laminação a quente;
4. acabamento e/ou tratamento térmico (caso de ser produto final);
5. decapagem;
6. laminação a frio (caso seja necessário);
7. tratamento térmico;
Principais variáveis de influência na laminação são: 1. o diâmetro dos rolos ou cilindros laminadores;
2. a resistência à deformação do metal (tensão de escoamento e de ruptura, encruamento durante a deformação, temperatura de trabalho, velocidade de trabalho, etc.);
3. o atrito entre os cilindros e o metal;
5.1 - DEFINIÇÕES DOS PRODUTOS LAMINADOS:
É comum para os produtos siderúrgicos a adoção de uma primeira classificação como aços planos e não-planos.
Entende-se por produtos planos aqueles cuja forma da seção transversal é retangular, sendo que a largura do produto e várias vezes maior do que a sua espessura.
Os produtos siderúrgicos podem também ser classificados em acabados ou semi-acabados quanto a aplicabilidade direta destes.
5.1.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS PRODUTOS SEMI-ACABADOS
Obtidos em laminação primária, envolvendo uma ou mais cadeiras (quebradora
de carepa, desbastadora e ainda, em alguns casos, até uma cadeira
secundária, seguida ou não de um trem contínuo).
Os semi-produtos deverão ser, posteriormente, forjados, extrudados, trefilados ou submetidos a outras etapas de laminação, para darem origem a produtos acabados.
1. bloco: é um produto semi-acabado cuja seção transversal é superior a 22.500 mm2 e com relação entre altura e espessura igualou menor que 2; as arestas são arredondadas, estas medidas se situam entre 150 e 300mm de lado;
3. placa: é um produto semi-acabado com seção transversal retangular, com espessura maior que 80 mm (100 mm segundo a norma NBR 5903 de 1983 -1987) e relação largura e espessura maior que 4, ou seja, espessura até 230mm e 610 a 1520mm de largura;
O comprimento do semi-acabado é função dos produtos finais a serem obtidos a partir dos mesmos, respeitando-se as limitações de equipamento de cada laminação.
5.1.2 - CLASSIFICAÇÃO DOS PRODUTOS ACABADOS
Quanto aos produtos acabados de laminação (observa-se que podemos ter produtos acabados a partir de semi-acabados por diversos processos de conformação tais como laminação, forjamento, trefilação, extrusão, etc.)
Blocos e tarugos, por laminação, dão lugar a vários tipos de produtos longos,
Placas e platinas são laminadas em vários tipos de produtos planos (barras
chatas, chapas, tiras, fitas e folhas) que podem ser transformados, p. ex., em tubos com costura e peças estampadas.
A) PRODUTOS LAMINADOS PLANOS
O esforço de compressão executado pelos cilindros é aplicado sobre uma superfície plana do produto laminado, sendo que, por esta ação, há uma redução da espessura acom-panhada do conseqüente aumento de compri-mento.
1. bobina:
Produto plano laminado com largura mínima de 500 mm enrolado na forma cilíndrica.
1.1. bobina fina a frio:
1.2. bobina fina a quente:
Produto plano larninado com espessura entre 1,20 e 5,0 mm e com largura superior a 500 mm, enrolado na forma cilíndrica e cuja espessura final é obtida por laminação a quente.
1.3. bobina grossa:
2. chapa:
Produto plano de espessura mínima de 0,38 mm e largura mínima de 500 mm.
2.1. chapa fina:
Chapa com espessura entre 0,38 e 5,0 mm e com largura igual ou superior a 500 mm.
2.2. chapa fina a frio:
2.3. chapa fina a quente:
Chapa com espessura entre 1,20 e 5,0 mm e com largura superior a 500 mm, fornecido em forma plana, cuja espessura final é obtida por laminação a quente.
2.4. chapa grossa:
3. fita de aço para embalagem:
Produto plano laminado com espessura igual ou inferior a 1,27 mm e com largura igualou inferior a 32 mm fornecido na forma de rolo, utilizado como elemento de fixação ou compactação no acondicionamento e/ou embalagem.
4. folha:
5. tira:
Produto plano relaminado a frio ou produto plano laminado com largura igual ou inferior a 500 mm, fornecido com comprimento definido.
5.1. tira cortada:
5.2. tira relaminada a frio:
6. rolo:
100 30
0 500 700 900
1 2 3 4 5 7 6 Largura (mm) E spe ssu ra (m m ) F
FOOLLHHAA C
CHHAAPPAAFFIINNAA C
CHHAAPPAAGGRROOSSSSAA B
BAARRRRAACCHHAATTAA
T
TIIRRAA
F
Os produtos acabados laminados não-planos se classificam em barras, fios, tubos, perfis comuns, perfis especiais e os trilhos.
Os produtos não planos chamados de fios (fio-máquina) são materiais com seção transversal circular com diâmetro de 5 a 13mm, laminados a quente, fornecidos na forma de bobinas ou não e geralmente são destinados a trefilação.
B) PRODUTOS LAMINADOS LONGOS
A ação compressiva é exercida numa superfície não plana do laminado. Esta ação é quase sempre acompanhada de restrição ao alargamento livre do material laminado, pelo fato de a deformação ser realizada no interior de caneluras nos cilindros.
• Perfis estruturais
• Trilhos e acessórios
Trilhos para ferrovias, pontes rolantes, carros de transporte de lingotes, elevadores, etc; talas de junção; placas de apoio; etc.
• Perfis especiais
Estacas-pranchas, perfis para aros de rodas, etc.
• Laminados comerciais
• Fio-máquina
Material de seção geralmente redonda com diâmetro de 5 a 13mm, laminado a quente, matéria-prima de trefilação.
• Tubos sem costura
(a)
(b)
(c) (d)
Placas Blocos Tarugos
Chapas
Folhas
Tubos com Costura
Perfis Trilhos
Barras
Barras
Trefilados
Chapas Fio-máquina
Tubos sem Costura Tubos
5.2 - CLASSIFICAÇÃO DOS LAMINADORES Pode ser feita segundo diferentes critérios:
1. Condições de trabalho em: Laminadores a quente e a frio.
2. Função ou programa de produção: Primários e Acabadores;
3. Tipo de produto: de Perfis, de Trilhos, de Arame, etc;
4. Tipo de cadeiras;
1. CLASSIFICAÇÃO PELAS CONDIÇÕES DE TRABALHO: 1.1. laminação a quente:
1.2. laminação a frio:
É aquela que se realiza a temperaturas abaixo do ponto crítico do aço, ou seja: a cada passe no laminador o tamanho do grão se deforma mas não cresce, tornando a superfície do material mais bem acabada e mais resistente.
A laminação a frio se desenvolveu devido à necessidades crescente de material com qualidades mecânicas determinadas e às exigências cada vez maiores de uniformidade de bitola.
A laminação a frio tem como conseqüência um aumento da dureza e da resistência à tração, ao mesmo tempo que reduz a dutilidade e o tamanho do grão do aço.
2. CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM O SEU PROGRAMA DE PRODUÇÃO:
Pode-se classificar os laminadores em laminadores primários ou de semi-produtos e laminadores de semi-produtos acabados.
2.1. Laminadores Primários ou de Semi-Produtos:
São aqueles que produzem semi-produtos ou semi-acabados, tais como:blocos, placas, tarugos e platinas, destinados aos trens acabadores.
Os laminadores desbastadores, também conhecidos pelo nome de blooming ou
slabbing, operam a partir de lingotes. No caso de lingotes grandes, os seus
produtos serão os blocos (blooms) ou as placas (slabs). No caso de lingotes
pequenos, produzem diretamente tarugos ou platinas.
Os laminadores de tarugos ou de platinas operam sempre a partir de blocos ou de placas cortadas longitudinalmente, transformando-os em tarugos ou platinas.
2.2. Laminadores de produtos acabados:
3. CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM O TIPO DE PRODUTO:
Esta classificação restringe-se aos laminadores de produtos acabados. De acordo com o tipo de produto podemos ter:
3.1. laminadores de perfis pequenos ou comerciais ou ainda perfis leves; 3.2. laminadores de perfis médios;
3.3. laminadores de perfis pesados; 3.4. laminadores de fio-máquina; 3.5. laminadores de tubos;
4. CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM O TIPO DE CADEIRAS:
4.1. CADEIRA DUO COM RETORNO POR CIMA:
Consiste em dois cilindros colocados um sobre o outro. Os cilindros são colocados na horizontal. O sentido de rotação não muda sendo que a peça laminada, ao passar entre dois cilindros, é devolvida para o passe seguinte, passando sobre o cilindro superior.
Este tipo de laminador é o mais antigo e mais simples, sendo usado no
4.2. CADEIRA DUPLO DUO:
(a) (b)
4.3 CADEIRA DUO REVERSÍVEL:
4.4. CADEIRAS TRIO:
Três cilindros são dispostos um sobre o outro na horizontal e a peça é introduzida no laminador passando entre o cilindro superior e o médio.
(a) (b)
Os laminadores ou cadeiras trio são usados em trens desbastadores para lingotes pequenos, trens de perfis (grandes, médios e pequenos), cadeiras acabadoras de trens de fio-máquina abertos.
4.5. CADEIRAS QUÁDRUO:
Quando chapas largas são laminadas em trens duo ou trio, os cilindros, que necessariamente tem grande comprimento de mesa, tendem a fletir.
Para evitar este defeito, foi criado o laminador quádruo no qual existem quatro cilindros, montados um sobre o outro na horizontal, sendo que os cilindros do meio, chamados cilindros de trabalho, são de menor diâmetro e os cilindros inferior e superior, chamados de cilindros de encosto ou apoio, são de maior diâmetro.
Quanto menor for o diâmetro dos cilindros, menor será o atrito entre estes e o metal. Portanto, é necessário uma menor potência.
Por outro lado, quando menor for o diâmetro, menor será a rigidez dos cilindros.
As tensões originadas pela resistência do metal a deformação conduzem a flexão dos cilindros e por conseguinte conduzem a obtenção de um produto final mais espesso no centro do que nas bordas.
Mesmo com a utilização de cilindros de encosto, verifica-se ainda uma certa flexão dos cilindros de trabalho a qual é compensada pela coroa dos cilindros.
A coroa é obtida usinando-se o cilindro com maior diâmetro no centro do que nas extremidades. Os cilindros de encosto podem não ser retificados com coroa.
Quanto menor for o diâmetro dos cilindros de trabalho de um laminador, menor será a espessura que poderá ser obtida.
O diâmetro dos cilindros influi também na força de laminação.
Isto pode ser comparado com o corte de um determinado material por meio de 2 facas.
Quanto mais finas (mais afiadas) forem as facas menor será a força a ser empregada para o corte.
4.6. CADEIRAS UNIVERSAIS:
Constitui uma combinação de cilindros horizontais e verticais, normalmente montados na mesma cadeira de laminação. É o caso dos laminadores desbastadores para placas.
Outra modalidade do laminador universal, é o construído com cilindros verticais não acionados, colocados entre os extremos dos cilindros horizontais e no mesmo plano vertical.
4.7. CADEIRAS COM CILINDROS AGRUPADOS
Se a deflexão dos cilindros for muito grande, as altas tensões produzidas podem causar efeitos de fadiga e conduzir os cilindros a ruptura.
Este laminador é muito caro, sendo utilizado para a laminação a frio e de acabamento para produtos para os quais se requer tolerâncias dimensionais mais estreitas.
Um tipo de laminador não convencional, o laminador Sendzmir planetário utilizado) para o trabalho a quente, ganha cada vez mais popularidade na produção de tiras de aço de alta resistência e de aços-liga, inclusive de aço inoxidável.
Os rolos alimentadores aplicam uma pequena redução de espessura e empurram a placa contra o laminador planetário onde a maior parte da redução de espessura é realizada.
(a)
(b)
(a) (b)
05. CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM A DISPOSIÇÃO DAS DIVERSAS CADEIRAS DE LAMINAÇÃO:
A classificação dos laminadores de conformidade com a disposição das cadeiras, é também usada nos meios técnicos.
Trem em linha: consistindo de várias cadeiras Trio ou Duo, dotadas de um acionamento único.
Este processo de mudar a direção da peça é repetido de ambos os lados do laminador, tornando possível laminar-se em várias cadeiras ao mesmo tempo.
Assim, consegue-se evitar a queda da temperatura ao laminar peças compridas em seções de pequeno diâmetro, que resultaria se tivéssemos que fazer o material passar completamente por um passe antes de começar o passe seguinte.
O laminador de vários grupamentos de cadeiras, com um trem preparador e um ou mais trens acabadores, representa uma solução lógica para a realização dos passes iniciais com velocidade mais baixa e seções maiores, e dos passes acabadores com menores reduções e velocidades mais elevadas, para compensar a redução de seção e obter melhor superfície.
5.1. TRENS CONTÍNUOS
Consiste de uma série de cadeira Duo, com cilindros girando no mesmo sentido, colocados no mesmo eixo de laminação e com pequeno afastamento entre as cadeiras.
O material é trabalhado ao mesmo tempo entre vários pares de cilindros, cuja velocidade periférica aumenta proporcionalmente, para compensar a redução de seção.
5.2. TREM CROSS-COUNTRY:
Assim chamado pela disposição escalonada das cadeiras do laminador. A peça, ao ser laminada, faz um trajeto de zigue-zague.
5.3. LAMINADORES DE TUBOS:
São de muitos tipos diferentes: em alguns, a seção inicial é uma barra chata ou chapa de aço que é aquecida à temperatura de caldeamento; em outros ela é trabalhada a frio.
Os tubos soldados por caldeamento de tôpo (butt-welded) são produzidos repuxando-se uma peça do material através de um sino ou fieira.
Os tubos sem costura são produzidos a partir de tarugos aquecidos e perfurados, de tarugos inteiriços, ou ainda, a partir de roletes aquecidos (slugs).
Figura 5.16 - Disposições de cadeiras de laminação
formando trens: (a) simples;
5.3 - ÓRGÃOS MECÂNICOS DE UM LAMINADOR
Um laminador consiste essencialmente, de duas gaiolas para suportar os cilindros, de dois ou mais cilindros e os meios para o seu acionamento e para controlar a abertura entre os cilindros de trabalho.
1. GAIOLA:
A gaiola do laminador é, em geral, uma peça de aço fundido, cujas dimensões são determinadas com um coeficiente de segurança bastante grande, como pode ser visto na figura 5.17.
As duas gaiolas são ligadas entre si na parte superior por um cabeçote fundido ou, perto da base e do topo, por meio de tirantes forjados.
As principais vantagens das gaiolas protendidas são:
1. a altura total da cadeira é menor e, portanto, a dilatação (que é proporcional ao comprimento tracionado) é menor;
2. a pressão que atua sobre todos os elementos da cadeira durante a marcha em vazio (sem estar laminando o material) reduz a folga entre eles,
A gaiola protendida tem a vantagem adicional de manipulação mais fácil, pelo fato de seu peso e dimensões serem menores, nos casos onde é necessário trocar rapidamente uma cadeira completa, como por exemplo, na mudança de um programa de laminação para o outro.
Para assegurar a horizontalidade dos cilindros, as bases das gaiolas são apoiadas sobre uma placa usinada de ferro fundido ou de aço e fixados por parafusos.
A parte inferior da janela serve de apoio para o mancal do cilindro inferior que, em grandes laminadores, geralmente é estacionário e nos pequenos laminadores é ajustável por meio de parafusos verticais ou de cunhas horizontais.
Através o tôpo da gaiola, passam os parafusos para controlar a elevação do cilindro superior.
2. PLACAS DE APOIO:
01 - Guarda lateral;
02 - Pistões hidráulicos do sistema de balanceamento do cili superior e work roll bending;
03 - Cápsula hidráulica;
04 - Motor do parafuso elétrico; 05 - Dial de visualização;
06 - Parafuso elétrico; 07 - Carrie beam;
08 - Rolo tensor (looper);
09 - Cilindro de trabalho (work roll); 10 - Tranquete;
11 - Calço móvel(soft line); 12 - Calço fixo(hard line); 13 - Célula de carga; 14 - Mancal morgoil;
15 - Cilindro de encosto(backup roll). Figura 5.19 - Vista lateral da cadeira de
5.4 - CILINDROS DE LAMINAÇÃO:
Os cilindros de laminação são em geral, peças inteiriças, fundidas ou forjadas.
A parte central do cilindro, o "corpo" ou a "face" deste, é que entra em contato com o aço durante a "operação de laminar”.
Pode ser lisa ou, então, dotada de canais; em alguns casos pode ser entalhada para facilitar a mordida na laminação a quente, ou jateada por granalha metálica, para propiciar um acabamento fosco no produto final.
Além do pescoço fica o "trêvo", que recebe o acoplamento para rotação. Pode ser acoplado à caixa de pinhões ou a um outro cilindro da cadeira ao lado e podem ser de 4 ou. 5 abas.
As principais características que definem a qualidade de um cilindro de laminação são as seguintes:
1. dureza;
2. resistência ao desgaste da mesa;
3. resistência à ruptura por ocasião de uma eventual sobrecarga;
4. baixa sensibilidade à formação de trincas térmicas;
5.4.1 - CLASSIFICAÇÃO DOS CILINDROS:
São produzidos em uma enorme variedade de materiais, desde o aço simples com 0,50% de carbono, passando pelos ferros fundidos especiais e nodulares, até os carbo netos de tungstênio.
Os cilindros podem ser fundidos com a mesa lisa ou com a mesa já esboçada para facilitar a usinagem dos canais.
Os cilindros em aço, que podem ser ou fundidos ou forjados, são mais
Mediante o emprego de elementos de liga e de tratamentos térmicos adequados pode-se conseguir altas durezas e resistências adequadas com cilindros de aço.
O teor de carbono varia de 0,35 a 1%.
Os cilindros de ferro fundido são de: ferro fundido cinzento moldado em areia; ferro fundido cinzento moldado em coquilha; ferro fundido tratado termicamente; ferro fundido de dupla fusão; ferro fundido nodular.
O teor de carbono varia de 2,5 a 3%. Em alguns tipos são utilizados elementos de liga tais como níquel cromo e molibdênio.
Apresentam melhor resistência ao desgaste do que os de aço. No entanto, sua resistência à ruptura é menor, não suportando grandes reduções por passe.
Podemos classificar os cilindros como:
1. CILINDROS DE AÇO FUNDIDO:
Apresentam resistência ao desgaste relativamente pequena mas, devido à sua alta resistência à flexão, permitem grandes reduções em cada passagem.
São usados; principalmente, nos laminadores desbastadores, nas primeiras cadeiras de laminadores de tiras a quente e como cilindros de encosto nos laminadores planos aquente e a frio.
2. CILINDROS DE AÇO FORJADO:
Apresentam melhor resistência ao desgaste.
São usados principalmente como cilindros de trabalho de laminadores a frio.
3. CILINDROS DE FERRO FUNDIDO EM MOLDES DE AREIA:
4. CILINDROS DE FERRO FUNDIDO COQUILHADO:
Possuem uma camada exterior dura, com grande resistência ao desgaste podendo gerar produtos com bom acabamento superficial.
O núcleo, no entanto, é mais tenaz e possui boa resistência à ruptura.
5. CILINDROS DE FERRO FUNDIDO NODULAR:
Além de terem boa resistência ao desgaste, apresentam resistência à ruptura maior que os outros cilindros de ferro fundido cinzento.
RESFRIAMENTO DOS CILINDROS
Quando um esboço aquecido é laminado, uma parte de seu calor é transmitida aos cilindros, provocando o aquecimento destes.
Como este aquecimento não é regular ao longo da mesa, formam-se as 'trincas térmicas' que marcam (danificam) os cilindros podendo, inclusive, provocar sua ruptura.
Realiza-se o resfriamento lançando água sobre a mesa dos cilindros.
A quantidade de água a ser utilizada depende de vários fatores como:
a - comprimento do esboço a ser laminado: quanto mais comprido for o esboço mais intenso deverá ser o resfriamento;
b - velocidade de laminação: quanto maior a velocidade, maior deverá ser a quantidade de água a ser utilizado no resfriamento;
c - forma do canal: canais profundos exigem um melhor resfriamento;
Na operação de um laminador, deve-se procurar evitar um aquecimento ou resfriamento brusco dos cilindros.
Estas mudanças rápidas de temperatura produzem 'choques térmicos' que podem provocar trincas ou mesmo a ruptura do cilindro.
5.5 – LAMINAÇÃO A QUENTE.
A maioria dos produtos laminada de aço é fabricado por um dos dois caminhos descritos a seguir, ou seja, produção de perfis, tarugos e barras (produtos não-planos ou produtos longos) ou produção de chapas, tiras e folhas (produtos planos).
Como pode ser observado, existem dois pontos iniciais distintos na laminação: ou parte-se do lingote obtido por lingotamento convencional na aciaria, ou parte-se das placas ou blocos do lingotamento contínuo também na aciaria.
Quando o produto inicial é um lingote, existe a necessidade de um laminador primário, também conhecido pelo nome de laminador desbastador, onde os lingotes são transformados em blocos ou placas para subseqüente acabamento em barras, perfis, chapas. tiras e folhas.
As placas serão reaquecidas nos fornos de reaquecimento e poderão seguir por dois caminhos distintos:
ou são encaminhadas a um laminador de chapas grossas onde a espessura da placa será reduzida,
As tiras ou chapas oriundas do laminador de tiras a quente podem também ser utilizadas para a fabricação de peças dobradas, rodas, vigas, vasos de pressão, etc.
