Laminaçãoç

Prof. Paulo Marcondes, PhD.DEMEC / UFPR

Chega dos portos ou de ferrovias o carvão mineral e o minério de ferro e todos as matérias primas necessárias como fundentes e escorificantes para produção do aço

O minério de ferro e o carvão são estocados e posteriormente homogeneizados, peneirados e classificados para uso na coqueira e nos altos fornos

Sinterização - Depois de homogeneizados e peneirados, tanto os finos de minério de ferro como os de carvão são processados criando um aglomerado, chamado de sínter, que vai compor a carga dos altos

fornos juntamente com o minério e o coque.

O ferro gusa sofre um processo de modificação de composição química, com redução de teor de carbono, por meio da injeção de oxigênio e ligas, como o manganês, alumínio, silício transformando em

aço fundidos em grandes lingotes.

Chapas grossas - Os lingotes vindos da aciaria são reaquecidos e laminados por diversas passadas até que seja atingida a espessura e largura desejada.

Depois a chapa grossa passa pela desempensadeira a quente e esfria ao ar no pátio de estocagem.Já na temperatura ambiente passa pelas tesouras para aparar nas dimensões finais.

Sinterização

Altos fornos Dessulfuração Conversor

InjetCalcio-

Carro torpedo

Coqueria

Forno p

q

Dessulfuração O ferro gusa contém um excesso de carbono e impurezas como silício (que torna o açoCoqueria - Nesta fase o carvão mineral é cozido em fornos especiais para retirada dos componentes mais

voláteis, transformando-se em coque que é o combustível dos altos fornosAltos fornos - Nesta fase o minério de ferro Fe2O3 sofre um processo químico de redução por meio do carbono

presente no coque (óxido de ferro + Carbono), resultando no ferro gusa líquido, matéria prima da aciaria.

Dessulfuração – O ferro gusa, contém um excesso de carbono e impurezas como silício (que torna o aço quebradiço), fósforo e enxôfre (que facilitam a oxidação). Então o material passa por um processo de

dessulfuração para a retirada do enxofre que é o mais complicado.Laminação a quente - Os lingotes vindos da aciaria são reaquecidos e processados em laminadores esboçadores antes de entrar no de tiras a quente onde é laminado sequenciamente por um conjunto de seis

cadeiras laminadoras. Essa tira alongada é bobinada.

Laminação a frio – As bobinas a quente são decapadas e posteriormente laminadas a temperatura ambiente em um laminador de quatro cadeiras que serão depois recozidas e passarão por um laminador de encruamento

para obter as propriedades mecânicas e espessuras desejadas.

Determine o percentual total de redução do processo

510tt%20100

10510100% =

−=

−= xx

ttt

o

fo

615− %681005

6,15% == x

Corrteto

%8410010

6,110100% =−

=−

= xxttt

o

fo

LaminaçãoLaminação

T i l A d d lTensões compressivas altas

Tensões cisalhantes superficiais

Ação da prensagem dos rolos e as;

Tração entre os rolos e o material (puxar o metal)

O neutro, provocado pelas forças de atrito convergentes, acarreta restrição

fl d t i lao fluxo de material.

A carga de laminação crescerá com os fatores que: Material dos rolos.

• Aumentam a área de contato entre cilindro e chapa

• Com a redução da espessura inicial da chapa e;

• Com o aumento do coeficiente de atrito do processo.

• Para desbaste – aço carbono e aços-liga

• Para trabalhos intermediários – aços liga e ferro fundido;

• Para acabamento – ferro fundido de diversos tipos.

Laminação a QuenteRecozimento (700º)

Deformação de 30% para se evitar grãos grandes Grãos – ASTM de 6 a 8 (0,045 a 0,22mm de ø)Grãos 6 já com aparência “casca de laranja”

Laminação a FrioGrãos 6 já com aparência casca de laranja

Percentual de redução acima de 50%Em chapa fina pode chegar a 90%.c apa a pode c ega a 90%

CSNLi it t ló i d l i ã t é d 1Limite tecnológico de laminação a quente é de 1mm

CISA → produção de 350.000 ton/ano → 50% do mercado do sul.

Ferro laminado = R$ 1,00 / KiloAlumínio laminado = R$ 3 5 / KiloAlumínio laminado = R$ 3,5 / Kilo

• Laminação a frio até 250º → fragilização ao ??? A 300ºC

• Laminação a quente → na austenita

• Laminação de tubos → 1,2 e 0,9mm de espessura

• 14% a 15% da produção siderúrgica é para a conformação plástica

Laminação a quente = R$ 300 / TonLaminação a frio = R$ 500 / Ton

Laminador de preparaçãoLaminador de preparação

Cilindros para obteção de perfis laminados

LaminaçãoLaminação

O objetivo é mudar a seção transversal (geralmente reduzir)

Tipos de produtos:

Planos

• Placas e chapas

Nã lNão planos

• Barras, peris, trilhos, vergalhões, tubos, etc.

Cadeira de LaminaçãoCadeira de Laminação

Trem de laminação• Conjunto de cadeiras

• Laminação a quente e a frio• Laminação a quente e a frio• Laminadores primários ou de desbaste• Laminadores secundários os de acabamento• Classificação das cadeiras quanto ao número e disposição dos cilindros

Análise geométrica na laminação de planos

Laminação e estampagem de chapasLaminação e estampagem de chapas

Laminação

Laminador quádruo Laminador trio

Laminador Sendzimir Laminador universal

Laminação

Típico laminador duo com cilindro regulável durante a operação Partes de um cilidro de laminaçãop co a ado duo co c d o egu á e du a te a ope ação a tes de u c d o de a ação

Cilindros de um laminador fixo durante a operação com abertura variável ao longo de seucomprimento

Trem de laminação

Se as laterais estiverem livres para se mover a porção do centro da chapa é tracionada e as laterais são comprimidas na direção de laminação. O resultado será uma lateral ondulada ou flambada.

A solução:• Cilindro mais largo no centro do que nas beiradas;g q• Cilindro apresentando um abaulamento e • Macaco hidráulico• Corrigir a deformação elástica dos cilindros.

Obs. Se o cilindro tem uma deflexão convexa excessiva o centro da chapa será mais alongado do que nas laterais.A distribuição de tensões é oposta e a chapa é dita ter centro livre e laterais presas.

Com a diminuição da espessura as beiradas sofrem um alargamento lateral

• Arredondamento no seu final e começo de laminação

As faixas laterais se alongam menos do que o centro e ficam submetidas a tensões secundárias trativas.Em casos severos pode ocorrer:

• Fendilhamento (trincamento das bordas) e • Fissuras rabo de peixe.

Defeitos resultantes do alargamento lateral

Laminação

Problemas devido a flexção dos cilindros de laminação Defeitos resultantes do espalhamento lateral

Se existe algum defeito metalúrgico ao longo da linha central do tarugo a fratura é do tipo boca de jacaré

Edge distribution resulting from rolling with (a) light reduction, (b) heavy reduction and (c) allingatoring.

• é acentuada se ocorre qualquer empenamento da chapa.

Deflexão Côncava dos Cilindros

Possíveis defeitos em laminação com insuficiente “camber”

Deflexão Convexa dos Cilindros

Possíveis defeitos em laminação com laminadores “over-cambeder”

Integridade da superfície em produtos laminados

• De uma forma geral o acabamento superficial é usualmente mais pobre em produtos obtidos via conformação a quente do que em materiais obtidos por conformação a frio.

• Os produtos laminados apresentam uma alta relação de superfície com relação ao volume de material e, portanto, as condições da superfície são de grande importância durante o processo.

Para manter a alta qualidade:• a superfície dos tarugos devem ser preparadas;• riscos devido a cilindros defeituosos devem ser evitados em chapas laminadas a frio;• remoção do lubrificante de laminação e • descoloração após os tratamentos térmicos.

Trincas laterais (tensões de tração secundárias)• Deformação não homogênea na direção da espessura;• somente a superfície da peça é deformada (reduções leves em tarugos grossos) e • a seção transversal é deformada mais nas bordas do que no centro;• a seção transversal é deformada mais nas bordas do que no centro;

Obs. Vistas nos passes iniciais da laminação a quente de lingotes grossos, ou seja, grandes deformações laterais presentes.

Com redução severas presentes:

• bordas embarriladasAs tensões de tração secundárias criadas pelo embarrilamento são a causa real do aparecimento ç p pdas trincas de beira ou borda.

As trincas de bordas são minimizados utilizando:

ili d ti i• cilindros verticais;• usinar as bordas para a forma quadrada depois de cada passe;• barras de restrição da borda da chapa e• enlatamento das bordas em ambos os lados com um material que apresente tensão de escoamento i il

q psimilar a peça.

(a) Representação esquemática do processo de conformação em laminadores de dobra usados para converter chapas ou placas em tubos. (b) Algumas formas típicas produzidas por esse processo.

Laminador seqüencial de perfisLaminador seqüencial de perfis

Qualidade dimensional ou precisão dimensional

• A precisão dimensional é mais difícil de ser controlada durante a conformação a quente do que durante a conformação a frioconformação a frio.

• Em conformação a quente uma maior deformação elástica deve ser considerada pois o módulo de elasticidade é mais baixo nas temperaturas mais elevadas da conformação a quente.

Obs. A combinação da deformação elástica e da contração térmica durante a deformação requer que a peça seja projetada com folga nas dimensões para compensar esse encolhimento durante a conformação a quenteseja projetada com folga nas dimensões para compensar esse encolhimento durante a conformação a quente.

• (as tolerâncias dimensionais devem ser menos rigorosas para os produtos trabalhados a quente)

• O passe de laminação a quente fornece normalmente uma má forma na chapa e a laminação a frio nãoO passe de laminação a quente fornece normalmente uma má forma na chapa e a laminação a frio não pode corrigir completamente essa má forma.

• Esses problemas são mais graves para chapas mais finas e as tensões internas são também maiores

• As chapas finas são também mais suscetíveis a ondulação.

Defeitos em produtos laminados

• Influência da geometria e qualidade dimensional em produtos laminados.

Geometria

Durante a conformação a quente (peças grandes e espessas)

• algumas imperfeições do metal fundido original podem ser eliminadas ou seus efeitos reduzidos;

• diferenças de composição química no metal oriundas da estrutura fundida podem ser minimizadas;

• os grãos colunares grosseiros da fundição são quebrados e refinados para grãos menores e equiaxiais recristalizados (melhorar a tenacidade e ductilidade) e;

• poros gasosos podem ser fechados e preenchidos durante a conformação a quente;

A deformação é sempre maior nas camadas superficiais

• material apresentará grãos mais finos recristalizados nessa região;

• crescimento de grão poderá ocorrer no interior de peças espessas as quais resfriam lentamente da g p p ç p qtemperatura de conformação ou de recozimento.

• a microestrutura dos metais trabalhados a quente não são tão uniformes quanto em metais trabalhados a frio e recozidos.

Os defeitos aparecem devido a interação entre:

• a deformação plástica do material que está sendo trabalhado com a deformação elástica dos cilindros e equipamento de laminarequipamento de laminar.

• devido ao modejo do laminador é maior do que o espaçamento entre cilindros acertada sob conições de não carregamento.

• para se laminar produtos com uma espessura definida é necessário se conhecer a constante elástica do equipamento laminador.

f• insto é dado normalmente na forma de uma curva de calibração.

Problemash• chapa curva-se;

• espessura uniforme sobre a largura e ao longo do comprimento;

• planicidade da chapa e

• diferença no alongamento• diferença no alongamento

• ondulações em chapas finas;

Cilindro de laminação

Representação esquemática das aberturas dos cilindros de um laminador trio para a produção de blocos e tarugos de aço

Laminação de barra de seção quadrada e perfil U Laminação Perfil I

Sequência I Sequência II

Passes para produção de perfilados em U e em L de aço

Perfis laminadosPerfis laminados

Manufatura de tubosManufatura de tubos

Pipe rolling in continuous mill1-round and oval pass rolls; 2 –blanks; 3 - mandrel

Pipe blank piercing, λ=1.3 to 5

EndireitadoresEndireitadores

Straightening rolled stock in roller (a) and cross roll (b), straightteners

Relações geométricas na laminação de planosRelações geométricas na laminação de planos

Dado que R >> hiArco de contato ~ L

2 – Ângulo de contato1 – Arco de contato

22 )2

( hRRL ∆−−=

2hhRL ∆∆

Rh

RhR

RLsen ∆

=∆

==α

h4hhRL ∆

−∆=

hRL ∆=ou

Se α pequeno = Rh∆

=α

4 Deformação logarítmica4 – Deformação logarítmica3 – Deformação convencional

Para um ponto genérico de altura h, admitindo deformação homogênea na espessura: ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −== e

hihi

11lnlnε

hih

hihhie −=

−= 1 ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛

−=→−=

ehihe

hih

11lnln1

Relações geométricas na laminação de planosRelações geométricas na laminação de planos

6 – Condições de mordida e arrastamento da chapa pelos cilindros de laminação

N = Força normal ao cilindroT = Força de atrito (tangente)

Para que exista arraste:

Fx > 0

Tcosα – Nsenα > 0Tcosα Nsenα 0

Se atrito coulombiano: T=µN

N(µcosα – senα) > 0

µcosα – senα > 0 µ > tg α

∴

µcosα senα > 0 µ > tg α

Notas:l d á i • a condição limite µ = tgα é pessimista:• α cresce com o passe, logo pode ser necessário para

certos passes aumentar o atrito ou adicionar força seguindo a direção x

• a condição limite µ = tgα, pode ser estimada para ângulos

• a condição limite µ = tgα, é pessimista:(não considera deformação plástica no ponto de contato)

ç µ g p p gα pequenos:

Rhtgsen ∆

≈≈ ααRhmax2 ∆⇒ µ logo Rh 2max µ=∆

• Obviamente, uma vez que a chapa foi arrastada, as condições dentro do arco de contato levam a estabilidade assegurando o processo contínuo.

Relações geométricas na laminação de planosRelações geométricas na laminação de planos

7 – Ângulo Neutro (ou de deslocamento nulo)Admitindo: - pressão constante ao longo do arco de contato;

- atrito coulombiano

ααµ 1cos+senµ

ααµα2

1cos −+=sensen N

0=Nα 0=α µα=

2tgse ou

Fatos:

2

Porque:ααα

sentg cos1

2−

=

Fatos:

(a) V saída > V periférica

(b) V entrada < V periférica

Ou seja: entre α=0 e α=2arctgµ

Existe um extremo(c) Deve então existir um plano onde:

V chapa = V periférica

Este plano é chamado de plano “neutro”.

ψµαααµαα

==⇒−== −1cos0)( tgsendsend N

(d) As forças de atrito são convergentes para o plano neutro (semelhantemente ao fenômeno em forjamento).

(e) A região da área de contato de “arraste” da chapa (arco αM).

Substituindo:

4221max ψψα ≈⇒ tgsen N

Isto leva à: Resultados:

• 0 ≤ α ≤ Ψ mordida espontânea

• Ψ < α < 2Ψ auxílio externo para arraste

• O ângulo neutro αN atinge seu valor máximo para o mínimo α que permite o arraste sem auxílio externo. Isto permite determinar ocoeficiente de atritopermite determinar ocoeficiente de atrito experimentalmente.

• Uma força da chapa contra os cilindros permite o arraste com ângulos maiores que Ψ No limite 2Ψ com αN=0com ângulos maiores que Ψ.No limite 2Ψ com αN 0.

• Uma tensão h provoca aumento da área motriz e diminuição do ângulo neutro.

• Para ângulos pequenos:

hN ∆+

α 11R

N +=µα 42

14 – Relação carga – deformação

Mantendo fixas algumas variáveis: R, material, hi, µ, pode-se obter (at. Aproximadamente).

15 – Ponto de operação

Um laminador deforma-se elasticamente:

Administrando-se linearidade

P

• para hi = hf → P = 0 inicio da curva• as curvas não são paralelas!

Onde:S = deformaçãoP = cargaM ód l d i id d l i d

MPS =

• as curvas não são paralelas!• curvas (objetivo) características do material.

M = módulo de rigidez do laminador.

melhor definição:

dSdPM =

Agora: hf = S + g sendo g = abertura dos cilindros

Então: g = hf – P / M

O ponto de operação é determinado superpondo as curvas P = P ( hf ); S = P / M:

09 – Carga (deformação homogênea)

Considera-se a laminação como compressão homogênea entre placas bem lubrificadas:

)151( YS =Área de contato →

Se não ocorre deformação lateral (hi << W)

WhRLWA ⋅∆==

P

Estado plano de deformação)15,1( YS =

Não considera o atrito

hRWSASP ∆== hRSWP

∆=

Nota: Com

Limite: inferior !

hRSP∆= 21ota Co hRS

W∆= 2,1

Se obtém valores mais realistas e permite cálculos rápidos

Temperatura = 1258ºCTemperatura = 1203ºC

Laminação convencionalLaminação convencional

Temperatura = 1165ºCç

Laminação convencional

Case Usiminas ReduçãoCase Usiminas - Redução

Altos fornosAltos fornos

AciariaAciaria

Laminação a QuenteLaminação a Quente

Laminação a QuenteLaminação a Quente

Laminação a Frio 1Laminação a Frio - 1

Laminação a Frio 1Laminação a Frio - 1

Laminação a Frio 2Laminação a Frio - 2

Laminação a Frio 2Laminação a Frio - 2

Acabamento