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.
Os primórdios da laminação são bastante antigos: a mais antiga ilustração de um laminador é uma gravura de Leonardo da Vinci, em torno de 1486, o qual se destinava, provavelmente, à laminação a frio de barras chatas de ouro ou prata para a cunhagem de moedas.
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.
Na Europa ocidental, nos princípio do século XVIII, surgiu o processo de laminação a quente do ferro, transformando barras em chapas.
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.
Na laminação os produtos semi-acabados são transformados em produtos acabados que devem atender as especificações estabelecidas em termos de propriedades mecânicas, forma, dimensões, dentre outros critérios.
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.
Desta forma, as operações de acabamento envolvem tratamentos térmicos, tais como: esferoidização, normalização, e recozimento, ou tratamentos superficiais, como: galvanização, estanhamento, cementação, usinagem tempera etc.
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.
Quando este equipamento consiste em somente um conjunto de cilindros, isto pode ser conseguido de duas formas:
ou variando-se a distância entre os cilindros de trabalho, laminadores reguláveis durante a operação,
ou mantendo-se esta distância fixa, laminadores fixos durante a operação, e variando-se o diâmetro do cilindro ao longo do seu comprimento, o que equivale a variar a abertura entre os cilindros.
Neste último caso, a peça a ser trabalhada deverá ser deslocada ao longo dos cilindros para cada passe sucessivo.
Uma outra forma de realizar passes com diferentes reduções, seria a colocação de laminadores em linha, com uma distância pré-determinada entre eles, de modo que trabalhassem o material sucessivamente e em alguns casos simultaneamente.
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.
Na laminação é possível obter-se tanto produtos acabados, como chapas, barras e perfis, como produtos semi-acabados, tais como placas.
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 últimas etapas da laminação a quente e a maior parte da laminação a frio são efetuadas comumente em múltiplos conjuntos de cilindros denominados trens de laminação.
As matérias-primas iniciais para laminação são constituídas geralmente por lingotes fundidos; blocos, tarugos ou placas do lingotamento contínuo ou mais raramente placas eletrodepositadas.
Ainda é possível a laminação diretamente do pó, através de um processo especial que combina metalurgia do pó com laminação.
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;
2. obter um produto final de boa qualidade, com propriedades mecânicas e condições superficiais adequadas.
O número de operações necessárias para atender a estes objetivos do processo de laminação, depende das especificações estipuladas para a forma, as propriedades mecânicas, as condições superficiais (rugosidade, revestimentos, etc.) e em relação a macro e microestrutura do produto laminado.
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;
Durante as etapas de laminação, deve-se efetuar um controle de qualidade do produto para se detectar a presença de defeitos, tais como trincas e vazios internos, afim de se evitar que um produto com excesso de defeitos, portanto, rejeitável, continue sendo processado, com desperdício de tempo e energia.
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;
4. a presença da tração de avanço ou de retrocesso no produto que esta sendo laminado.
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.
Produtos não-planos, pelo contrário, tem sua seção transversal diferente da forma retangular (exceção de barras chatas, alguns blocos e tarugos), formas em geral complexas e variadas, embora já se tenha formas consagradas e limitadas. É o caso de perfis tais como H, I, U, trilhos e outros.
Os produtos siderúrgicos podem também ser classificados em acabados ou semi-acabados quanto a aplicabilidade direta destes.
São denominados semi-acabados, ou intermediários, em virtude de praticamente não existir aplicação direta para os mesmos, salvo para posterior processamento por laminação, extrusão, trefilação, etc. que os transformarão em produtos finais ou seja acabados.
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.
Não existe uma clara separação dimensional entre eles, embora a ABNT em sua norma NBR 6215 de 1986 classifique os semi-acabados de conformidade com a área da seção transversal e sua forma, como:
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;
2. tarugo ou palanquilha: é um produto semi-acabado cuja seção transversal
é menor ou igual a 22.500 mm2 e a relação largura e espessura igualou menor que 2; as arestas são arredondadas as tolerância dimensionais menos restritivas que as de barras, estas medidas se situam entre 50 e 125mm de lado ou diâmetro;
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.
Nos semi-acabados também se utilizam dos processos usuais de condicionamento, tais como escarfagem e esmerilhamento, visando a eliminação de defeitos superficiais que possam comprometer o produto final.
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, tais como perfis; trilhos e acessórios; barras redondas, quadradas, sextavadas, etc; fio-máquina, tubos sem costura, etc.
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.
Os produtos acabados planos são obtidos por laminação a quente ou a quente e a frio de placas em cilindros lisos (sem canais) e se subdividem de acordo com as seguintes dimensões:
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.
Dependendo da relação entre a largura e a espessura iniciais, pode ou não haver um alargamento livre do produto laminado.
1. bobina:
Produto plano laminado com largura mínima de 500 mm enrolado na forma cilíndrica.
1.1. bobina fina a frio:
Produto plano laminado com espessura entre 0,38 e 3,0 mm e com largura superior a 500 mm, enrolado na forma cilíndrica e cuja espessura final é obtida por laminação 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:
Produto plano laminado com espessura superior a 5,0 mm e igual ou inferior a 12,7 mm, largura superior a 500 mm, enrolado na forma cilíndrica e cuja espessura final é obtida por laminação a quente.
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:
Chapa com espessura entre 0,38 e 3,0 mm e com largura superior a 500 mm, fornecido em forma plana, cuja espessura final é obtida por laminação 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:
Chapa com espessura superior a 5,0 mm e largura superior a 500mm, fornecido em forma plana, cuja espessura final é obtida por laminação a quente, seja no laminador reversível até no máximo 152 mm ou no laminador contínuo até no máximo 12,70 mm.
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:
Produto plano laminado a frio com espessura igual ou inferior a 0,38 mm e com largura mínima de 500 mm fornecido em bobinas ou num comprimento definido.
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:
Produto plano laminado com largura igual ou inferior a 500 mm, fornecido com comprimento definido; pode ser obtida de rolos cortados aplainados ou de corte mecânico de chapas finas a frio, chapas finas a quente, chapa grossa ou qualquer produto plano laminado.
5.2. tira relaminada a frio:
Produto plano relaminado a frio com espessura igual ou inferior a 8,00 mm e largura igual ou inferior a 500 mm, fornecido com comprimento definido, distinguindo-se da tira cortada por ter tolerância mais estreitas na espessura e largura decorrentes do processo de fabricação.
6. rolo:
Produto plano relaminado a frio ou produto plano laminado com largura igual ou inferior a 500 mm, enrolado na forma cilíndrica de tal modo que a largura final do rolo seja igual à largura do produto plano (rolo simples) ou seja superior a largura do produto plano, o qual é obtido em sistema oscilante (rolo zigue-zague).
100 300 500 700 900 1 2 3 4 5 7 6 Largura (mm) Es pess ura (mm ) F FOOLLHHAA C CHHAAPPAA FFIINNAA C CHHAAPPAA GGRROOSSSSAA B BAARRRRAA CCHHAATTAA T TIIRRAA F FIITTAA
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.
Os tubos com costura são aqueles produzidos por laminação na Mannesmann e outros.
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
Barras redondas, sextavadas, quadradas, barras chatas, ferro T, cantoneiras pequenas, vigas U pequenas, vigas I, etc.
• Fio-máquina
Material de seção geralmente redonda com diâmetro de 5 a 13mm, laminado a quente, matéria-prima de trefilação.
• Tubos sem costura • Bolas de moinho
(a)
Exemplos de produtos laminados não planos ou longos e casos típicos de suas aplicações: (a) produtos de aço
(b)
(c) (d)
Figura 5.5 - Exemplos de produtos laminados não planos ou longos e casos típicos de suas aplicações: (b) seqüência de forjamento de uma peça a partir de uma barra redonda laminada; (c) ponte rodo-ferroviária e (d) elementos de máquinas.
Placas Blocos Tarugos Chapas Folhas Tubos com Costura Perfis Trilhos Barras Barras Trefilados Chapas Fio-máquina Tubos sem Costura Tubos Calandrados
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;
5. De acordo com a disposição das diversas cadeiras de laminação: em Linha (trem tipo Belga), em Zigue-zague (cross-country), Contínuo (tandem), etc.
1. CLASSIFICAÇÃO PELAS CONDIÇÕES DE TRABALHO: 1.1. laminação a quente:
É aquela que se realiza a temperaturas acima do ponto crítico do aço, ou seja: a cada passe no laminador reduz o tamanho do grão, o qual cresce novamente, assim que a pressão é retirada. O tamanho do grão final é determinado pela temperatura e pela porcentagem de redução do último passe.
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.
Antes do trabalho a frio, é necessário remover a camada de óxido por meio da decapagem, com o intuito de se obter boa superfície no produto acabado.
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.
A profundidade até onde a estrutura do grão é alterada, depende da seção, tamanho e redução da área.
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.
Entre os laminadores primários pode-se distinguir os laminadores desbastadores e os laminadores de tarugos ou platinas.
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:
São aqueles que transformam semi-produtos (blocos, placas, tarugos e platinas) em produtos acabados, tais como: perfiz, trilhos, tubos, etc.
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; 3.6. laminadores de chapas; 3.7. laminadores de tiras; 3.8. laminadores de rodas; 3.9. laminadores de esferas.
4. CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM O TIPO DE CADEIRAS:
O conjunto formado pelos cilindros de laminação, com seus mancais, montantes, suportes, etc. é chamado de cadeira de laminação. Vejamos quais os tipos mais comuns.
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 passado na laminação de chapas e, ainda hoje, nas laminações de tarugos, trens contínuos de perfis pequenos e trens de fio-máquina.
4.2. CADEIRA DUPLO DUO:
Consiste em dois duos colocados em planos verticais paralelos e montados numa cadeira de laminação única. Utilizada na laminação de barras de aço especial. Não deve ser confundido com o laminador contínuo formado por cadeiras duo não-reversíveis.
(a) (b)
4.3 CADEIRA DUO REVERSÍVEL:
É aquela em que o sentido de rotação dos cilindros do laminador é invertido após cada passagem da peça através do laminador. Empregado em laminadores desbastadores para lingotes grandes e trens de perfis.
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.
Os cilindros nunca são reversíveis. Inicialmente o material a laminar era manuseado por meio de ganchos ou barras manuais para colocar o material na parte superior, porém, atualmente, utilizam-se mesas elevatórias ou basculantes.
(a) (b) Figura 5.9 - (a) cadeiras duo reversível e (b) cadeira trio.
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.
Uma outra variação do laminador trio convencional é o laminador Lauth, utilizado na laminação de chapas, onde o cilindro médio tem cerca de 2/3 do diâmetro dos outros dois cilindros.
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.
Conseqüentemente, as chapas laminadas por este método não apresentam uma espessura uniforme no sentido transversal.
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.
Nos laminadores quádruo, as chapas grossas podem ser laminadas com espessura uniforne, porque os cilindros de apoio superior e inferior efetivamente suportam os cilindros de trabalho. São usados em laminadores aquente e a frio de chapas e tiras.
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.
Para manter inalterado o perfil dos cilindros, assume grande importância a questão do resfriamento.
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.
Considerando-se este fenômeno, desenvolveu-se a utilização de laminadores com cilindros de trabalho de pequeno diâmetro para laminação de produtos de pequena espessura.
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.
Portanto, com cilindros de pequeno diâmetro reduz-se a força de laminação e, como conseqüência, reduz-se também a deformação do laminador .
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.
Verifica-se que deve ser observado um certo distanciamento entre o par de cilindros verticais e o par de cilindros horizontais. Os quatro cilindros, geralmente, possuem acionamento independente, mas sincronizado.
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.
A sua função é apenas garantir a uniformidade da seção do perfilado. É o caso do laminador Grey, para a produção de perfilados pesados tais como duplo T.
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.
Para aproveitar a vantagem da necessidade de menor potência com cilindros de pequeno diâmetro, foi projetado o laminador quádruo e a idéia foi estendida para a utilização de uma maior quantidade de cilindros, obtendo-se os denominados laminadores agrupados, podendo-se destacar o laminador Sendzimir.
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.
Este equipamento, através de pequenos cilindros giratórios, produz substancial redução de seção da tira e oferece a vantagem de produzir uma superfície com bom acabamento.
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.
Os cilindros de trabalho são posicionados numa gaiola porta-cilindros (mancal de rolamento) que gira sobre o cilindro de encosto.
(a)
(b)
(a) (b)
Figura 5.12 - Tipos de laminadores com cilindros agrupados: (a) com 6 cilindros; (b) Sendzmir.
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.
A ponta da peça laminada, ao sair de um passe, é “virada", entrando no passe seguinte, no mesmo lado do laminador de onde saiu.
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.
Evidentemente, para se ter a flexibilidade necessária para o "dobramento", a barra laminada deve ser de seção relativamente pequena.
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.
É o tipo de instalação destinada a grandes produções e programas de laminação relativarnente pouco variados.
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.
Este tipo de laminador tem grande flexibilidade de programa de laminação, com uma produção horária, relativamente alta.
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 com costura são formados a partir de chapas aquecidas, e a costura obtida pela pressão mecânica.
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 5.15 – Laminação de tubos sem costura, utilizando mandril e tarugos inteiriços (processo Mannesman)
Figura 5.16 - Disposições de cadeiras de laminação formando trens: (a) simples; (b) aberto ou em linha; (c) em série; (d) contínuo; (e) e (f) semicontínuo; (g) ziguezague ou alternado.
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.
Além disso, deve-se considerar as várias instalações de transporte das peças a laminar, os meios de lubrificar o equipamento e os de remover a camada de óxido.
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.
Para reduzir a um mínimo o alongamento das gaiolas, uma das soluções é construí-Ias com grandes seções, de modo que a solicitação específica (pressão por cm2) seja a menor possível, ou então, empregam-se as gaiolas
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 abertura na gaiola através à qual passa o pescoço do cilindro é a "janela", normalmente revestida de placas de desgaste, que se pode trocar depois de certo tempo de uso, quando ficarem amolgadas ou danificadas.
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.
Em pequenos laminadores, estes cilindros são ajustados manualmente; no. grandes, por meio de mecanismo de ajustagem motorizado.
2. PLACAS DE APOIO:
Para assegurar a horizontalidade dos cilindros, os pés da gaiola são apoiados sobre uma placa usinada de ferro fundido ou de aço e fixados por parafusos de cabeça quadrada.
Figura 5.17 – Seção de um laminador desbastador, acionado por um único motor. Observe-se a caixa de pinhões e as arvores de transmissão, dotadas de juntas universais, que transmitem esforços de rotação aos cilindros.
Figura 5.18 - Detalhe de uma caixa de pinhões e um redutor simples constituidos por um conjunto de engrenagens.
01 - Guarda lateral;
02 - Pistões hidráulicos do sistema de balanceamento do cilindro de encosto 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
laminação, com detalhes dos componentes para sustentação e posicionamento dos cilindros.
Figura 5.20 - Equipamentos constituintes de um laminador, destacando-se o sistema de acionamento e troca dos cilindros: (01) carro de troca dos cilindros de trabalho; (02) cilindros de trabalho (reserva); (03) parafuso elétrico; (04) cápsula hidráulica; (05) chapa de desgaste (bronzina); (06) árvore de ligação (spindle); (07) caixa de pinhões; (08) caixa de redução (F1 e F2); (09) motor.
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.
Em cada extremidade, estão os "pescoços" que se apóiam nos mancais. Os pescoços podem ser cilíndricos ou cônicos.
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.
Os laminadores modernos utilizam juntas universais; para estas, o "trêvo" é substituido por uma seção adequada ao desenho do acoplamento.
Figura 5.22 – Esquema mostrando partes de um cilindro de laminação com pescoço cilíndrico e garfo de acloplamento (acima), e pescoço cônico com munhão de aclopamento.
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
indicados onde aplicam-se fortes reduções, com canais fundamente entalhados nos cilindros.
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.
São usados como cilindros preparadores ou acabadores em diversos tipos de trens de laminação, como mostraremos a seguir.
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:
São empregados como cilindros acabadores de trens de grandes perfis e trens comerciais, bem como cilindros preparadores de trens de perfis médios.
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.
Podem ser usados em cadeiras acabadoras de trens de fio-máquina, de trens de pequenos perfis, e em laminadores desbastadores.
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.
Podem ser usados em cilindros de laminadores de tarugos e cilindros intermediários de trens de fio-máquina.
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.
Estas trincas podem, no entanto, ser evitadas ou atenuadas mediante um resfriamento adequado dos cilindros.
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;
d - material de construção dos cilindros: quanto mais duros forem os cilindros, mais eficiente deverá ser o 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.
Quando a operação do laminador for interrompida deve-se cortar a água de resfriamento, caso contrário ocorrerá um choque térmico no reinício da operação.
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).
A figura (5.23), mostra uma representação esquemática do processamento de diversos produtos laminados, e a figura (5.24) mostra aplicações típicas deste produtos.
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.
Depois da obtenção das placas ou dos blocos no laminador primário, estes dois semi- acabados serão acabados de maneiras diferentes.
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,
ou são encaminhadas para o laminador de tiras a quente onde serão obtidas as bobinas de tiras laminadas a quente.
As bobinas de tiras laminadas a quente podem por sua vez, seguir vários caminhos distintos: podem ser utilizadas na fabricação de tubos sem costura, por diversos processos; podem servir de matéria-prima para o laminador de tiras a frio obtendo-se assim chapas e tiras laminadas a frio com ou sem revestimentos superficiais; podem servir de matéria-prima para os laminadores a frio tipo Sendzmir para o caso de aços especiais (inoxidáveis, ao silício, etc.) onde obteríamos as folhas ou fitas laminadas.
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.
Para o caso dos tarugos, estes podem seguir três caminhos distintos: para os laminadores de perfis (leves, médios ou pesados) onde obteríamos os perfis estruturais e os trilhos; para os laminadores de barras ou de fios, onde se chegaria aos diversos tipos de barras e aos fios- máquina; para os laminadores de tubos sem costura. Normalmente, todas as etapas de laminação de tarugos até o produto final é feita aquente.