laminação [modo de compatibilidade]

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Laminação Prof. Paulo Marcondes, PhD. DEMEC / UFPR

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Page 1: Laminação [Modo de Compatibilidade]

Laminaçãoç

Prof. Paulo Marcondes, PhD.DEMEC / UFPR

Page 2: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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.

Page 3: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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

Page 4: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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.

Page 5: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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

Page 6: Laminação [Modo de Compatibilidade]

Laminador de preparaçãoLaminador de preparação

Page 7: Laminação [Modo de Compatibilidade]

Cilindros para obteção de perfis laminados

Page 8: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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.

Page 9: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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

Page 10: Laminação [Modo de Compatibilidade]

Laminação e estampagem de chapasLaminação e estampagem de chapas

Laminação

Laminador quádruo Laminador trio

Laminador Sendzimir Laminador universal

Page 11: Laminação [Modo de Compatibilidade]
Page 12: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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

Page 13: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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.

Page 14: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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

Page 15: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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.

Page 16: Laminação [Modo de Compatibilidade]

Deflexão Côncava dos Cilindros

Possíveis defeitos em laminação com insuficiente “camber”

Page 17: Laminação [Modo de Compatibilidade]

Deflexão Convexa dos Cilindros

Possíveis defeitos em laminação com laminadores “over-cambeder”

Page 18: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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.

Page 19: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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.

Page 20: Laminação [Modo de Compatibilidade]
Page 21: Laminação [Modo de Compatibilidade]

(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.

Page 22: Laminação [Modo de Compatibilidade]

Laminador seqüencial de perfisLaminador seqüencial de perfis

Page 23: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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.

Page 24: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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.

Page 25: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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;

Page 26: Laminação [Modo de Compatibilidade]

Cilindro de laminação

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

Page 27: Laminação [Modo de Compatibilidade]
Page 28: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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

Page 29: Laminação [Modo de Compatibilidade]

Sequência I Sequência II

Page 30: Laminação [Modo de Compatibilidade]
Page 31: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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

Page 32: Laminação [Modo de Compatibilidade]

Perfis laminadosPerfis laminados

Page 33: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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

Page 34: Laminação [Modo de Compatibilidade]

EndireitadoresEndireitadores

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

Page 35: Laminação [Modo de Compatibilidade]
Page 36: Laminação [Modo de Compatibilidade]
Page 37: Laminação [Modo de Compatibilidade]
Page 38: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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∆

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

Page 39: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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.

Page 40: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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

Page 41: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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

Page 42: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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 =

Page 43: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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:

Page 44: Laminação [Modo de Compatibilidade]

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

Page 45: Laminação [Modo de Compatibilidade]

Temperatura = 1258ºCTemperatura = 1203ºC

Laminação convencionalLaminação convencional

Temperatura = 1165ºCç

Laminação convencional

Page 46: Laminação [Modo de Compatibilidade]

Case Usiminas ReduçãoCase Usiminas - Redução

Page 47: Laminação [Modo de Compatibilidade]

Altos fornosAltos fornos

Page 48: Laminação [Modo de Compatibilidade]

AciariaAciaria

Page 49: Laminação [Modo de Compatibilidade]

Laminação a QuenteLaminação a Quente

Page 50: Laminação [Modo de Compatibilidade]

Laminação a QuenteLaminação a Quente

Page 51: Laminação [Modo de Compatibilidade]

Laminação a Frio 1Laminação a Frio - 1

Page 52: Laminação [Modo de Compatibilidade]

Laminação a Frio 1Laminação a Frio - 1

Page 53: Laminação [Modo de Compatibilidade]

Laminação a Frio 2Laminação a Frio - 2

Page 54: Laminação [Modo de Compatibilidade]

Laminação a Frio 2Laminação a Frio - 2

Acabamento