LAMINAÇÃO. Marcelo Lucas P. Machado

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1 LAMINAÇÃO Marcelo Lucas P. Machado

2 FORNOS DE REAQUECIMENTO E LAMINAÇÃO A QUENTE

3 FORNOS DE REAQUECIMENTO Sua função principal é elevar a temperatura dos produtos semi-acabados, (tarugos ou placas}, até que o material esteja suficientemente plástico para permitir a redução mecânica à secção desejada. CONDIÇÕES QUE AFETAM A OPERAÇÃO E QUALIDADE DO AÇO QUE DEVEM SER ATENDIDAS: 1. A temperatura deverá ser suficientemente alta para não obrigar a reduzir a velocidade de produção do laminador, nem submeter os cilindros a pressões excessivas; 2. Não deverá ocorrer superaquecimento, pois a temperatura demasiado elevada irá afetar a secção, as propriedades físicas e a estrutura de grão de produto acabado; 3. O aquecimento deve ser uniforme em toda a secção e em todo o comprimento, para evitar rupturas intemas, ou uma variação, tanto na secção, como na estrutura de grão do produto acabado; 4. Cada peça de aço da mesma ordem de produção deve ser aquecida, em sequência, à aproximadamente a mesma temperatura, para evitar atrasos na laminação devido a ajuste nos cilindros; e, 5. O aquecimento deve permitir o fluxo adequado de calor, sem haver fusão da superfície externa e, também, para evitar trincas e tensões internas, causadas por diferenças muito grandes de temperatura entre o núcleo e a superfície da peça.

4 TIPOS DE FORNOS DE REAQUECIMENTO Os fornos de reaquecimento são divididos em dois grupos principais, a saber: intermitentes e contínuos. Intermitentes: São aqueles em que o material a ser aquecido é carregado e permanece estacionário sobre a soleira até atingir a temperatura de laminação ou forjamento. Algumas vezes é costume virarem-se os blocos ou lingotes a fim de homogeneizar o aquecimento. Trabalham segundo uma curva determinada de aquecimento e de resfriamento. Contínuos: Têm aplicação para placas ou tarugos, em grandes quantidades repetitivas. Estes fornos possuem, em geral, várias zonas e o material é carregado em uma extremidade, sendo forçado através do forno pela ação de um empurrador.

5 Vantagens dos fornos descontínuos podemos citar: 1. Permitir o aquecimento de vários tipos de aços ou dimensões diferentes de peças que necessitam um processo de aquecimento específico, o que pode ser melhor executado em lotes separados do que misturados no mesmo forno; 2. Podem operar a temperaturas mais elevadas do que um forno contínuo, podendo-se 'lavar' a superfície do aço, isto é, fundir parcialmente a crosta de óxido para remover defeitos da superfície, sem haver o perigo das peças colarem umas nas outras; 3. Possibilidade de misturar de peças de aços diferentes dentro do forno é menor; 4. Sem despesas adicionais para esvaziar o forno, no fim de um programa de aquecimento.

6 Desvantagens dos fornos descontínuos: 1. Elevado investimento por tonelada de produção; 2. Baixa eficiência da soleira (pequena área de utilização); 3. Maior quantidade de pessoal necessário para operar o forno; 4. O comprimento das peças é limitado (6 m) devido às dificuldades no sistema de manuseio e carregamento.

7 FORNOS CONTÍNUOS Estes fornos possuem, em geral, várias zonas de aquecimento em seu interior. O material é carregado em uma extremidade, sendo forçado a caminhar pelo interior do forno pela ação de empurradores ou vigas. Nos fornos contínuos, tanto a carga como a descarga, se realizam de maneira periódica durante a operação. Vantagens podemos citar: 1. Elevada produção; 2. Menor quantidade de mão-de-obra por tonelada aquecida; 3. Menores custos de depreciação e manutenção por tonelada aquecida; grande produção por metro quadrado de área ocupada. 4. No caso de várias zonas, melhor controle do ritmo de aquecimento;

8 Desvantagens dos fornos contínuos: 1. Falta de flexibilidade no atendimento de pequenas encomendas ou diversos tipos de aços; 2. Os lados do material devem ser planos para evitar empilhamento de peças na soleira; 3. maior custo para esvaziar o forno na reparação ou no final de programa de produção, exceto no caso de vigas caminhantes; 4. O esvaziamento do forno em caso de acidente é muito trabalhoso, provocando qrandes perdas de tempo. 5. Maior perigo de haver mistura de peças de diferentes aços dentro do forno; 6. Maior dificuldade para empurrar diferentes seções dentro do forno (exceto no caso de vigas caminhantes).

9 Os fornos contínuos podem ser classificados quanto a maneira como as peças são aquecidas e conduzidas no interior do forno em: fornos de empurrar e fornos de vigas caminhantes,. Com o sistema de empurrar, teremos um forno sensível do ponto de vista mecânico, uma vez que, habitualmente, peças móveis no interior do forno, devido às altas temperaturas reinantes no interior do mesmo, sempre são críticas. Uma das vantagens dos fornos de vigas caminhantes é a possibilidade de esvaziamento ao final da jornada, visto que os fornos de empurrar não apresentam esta possibilidade, o material permanece inativo dentro do forno a altas temperaturas várias horas. O que se repercute em uma maior oxidação, com uma considerável perda de material e um maior depósito de carepa, sobre a soleira do forno. Uma outra vantagem muito importante é a maior uniformidade de temperatura das peças aquecidas devido ao fato de não haver contato permanente delas com os suportes (strids) para sustentação durante o aquecimento.

10 Os fornos de reaquecimento contínuos possuem três zonas de combustão: 1. Zona de pré-aquecimento Onde o material que entra a temperatura ambiente é aquecido, em contracorrente, até uma temperatura da ordem de 700oC, pelos gases da combustão procedentes das outras zonas em direção ao recuperador onde aquecerá o ar de combustão. 2. Zona de aquecimento ou intermediária Região de grande fluxo de calor onde o material é aquecido na superfície até uma temperatura de 1250oC, principalmente por radiação do calor das chamas dos queimadores (em torno de 10). 3. Zona de encharque Equipada com queimadores (radiação de calor) onde se consegue que a diferença de temperatura entre o ponto mais frio (núcleo) e o ponto mais aquecido da peça, seja reduzida ao mínimo, não representando um problema para o trem de laminação ou para a qualidade do produto final laminado.

11 Esquema mostrando um forno de reaquecimento de empurrar com três zonas.

12 Esquema mostrando detalhes do mecanismo de vigas caminhantes de modo a permitir o deslocamento de placas sem riscar a superfície das mesmas em um forno de vigas caminhantes.

13 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. 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. Esquema mostrando um material sendo laminado

14 Esquema mostrando cilindros com canais de um laminador fixo. Esquema mostrando um trem contínuo de laminação.

15 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. Geralmente, utiliza-se um ou dois conjuntos de cilindros para a laminação aquente, de modo que o lingote ou o esboço passa várias vezes entre os mesmos cilindros. 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.

16 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, propriedades mecânicas, condições superficiais (rugosidade, revestimentos, etc.) e em relação a macro e microestrutura do produto laminado. Quanto mais detalhadas forem estas especificações, mais complicado será o procedimento e um maior número de operações serão necessário.

17 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; 8 acabamento e revestimento. 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.

18 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 é 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 semiacabados 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.

19 CLASSIFICAÇÃO DOS PRODUTOS LAMINADOS Blocos: Seção quadrada ou ligeiramente retangular, entre 150 e 300mm de lado. Placas: Seção retangular com espessura entre 50 e 230mm e 610 a 1520mm de largura. Tarugos: Seção quadrada ou circular, entre 50 e 125 mm de lado, (ou diâmetro). Fio-máquina: normalmente de seção circular com o diâmetro menor que 12,7mm, produzido em rolos ou bobinas Barras: Seção quadrada, circular ou poligonal com dimensões menores que 100mm. Perfis Normais: Com seção mais elaborada, como cantoneiras, T, Z, U, etc., com altura da alma maior que 80 mm. Chapa Grossa: Largura acima de 200 mm, espessura maior que 5 mm. Tiras Laminadas a Quente: largura entre 610 a 2438 mm, espessuras entre 1,19 a 12,7mm. Tiras Laminadas a Frio: larguras entre 400 e 1650 mm, espessura entre 0,358 mm e 3mm. Bobina: Produto plano laminado com largura mínima de 500 mm enrolado na forma cilíndrica.

20 TIPOS DE CADEIRAS DE LAMINACÃO Duo com retomo por cima: Consiste em dois cilindros, colocados um sobre o outro. A peça é laminada ao passar entre os dois e é devolvida para o passe seguinte, passando sobre o cilindro superior. Duo reversível: É aquele em que o sentido de rotação dos cilindros é invertido após cada passagem da peça através do laminador. Duplo Duo: Usado na laminação de barras de aços especiais, consiste em dois conjuntos Duo, com sentidos de movimento opostos, colocados em planos verticais paralelos e montados numa cadeira de laminação única. Contínuo: Várias cadeiras são colocadas uma após a outra, numa linha reta, de modo que a peça a ser laminada avança continuamente, sendo trabalhada sucessivamente em vários passes ao mesmo tempo, até que saia da última cadeira, como produto acabado. Trio: Três cilindros são dispostos um sobre o outro e a peça é introduzida no laminador, passando entre o cilindro de baixo e o médio e retoma entre o superior e o central. Quádruo: Nos laminadores Quádruo, as chapas grossas ou as tiras a quente podem ser laminadas com espessura mais uniforme no sentido transversal, porque os cilindros de apoio, superior e inferior, impedem a flexão excessiva dos de trabalho. Universal: Constitui uma combinação de cilindros horizontais e verticais, normalmente montados na mesma cadeira de laminação.

21 Esquema de cadeiras duo com retorno por cima (I) e duplo duo (II) Esquema de cadeiras duo reversível e trio.

22 Cadeiras quádruo à esquerda e universal à direita.

23 Laminador universal tipo Grey. Laminadores com múltiplos cilindros, à esquerda com seis cilindros e a direita o laminador planetário

24 CLASSIFICAÇÃO DOS LAMINADORES PELAS CONDIÇÕES DE TRABALHO 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. 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.

25 CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM O SEU PROGRAMA DE PRODUÇÃO: 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. Laminadores de produtos acabados: São aqueles que transformam semi-produtos (blocos, placas, tarugos e platinas) em produtos acabados, tais como: perfiz, trilhos, tubos, etc.

26 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: laminadores de perfis pequenos ou comerciais ou ainda perfis leves; laminadores de perfis médios; laminadores de perfis pesados; laminadores de fio-máquina; laminadores de tubos; laminadores de chapas; laminadores de tiras; laminadores de rodas; laminadores de esferas.

27 CLASSIFICAÇÃO DE ACORDO COM A DISPOSIÇÃO DAS DIVERSAS CADEIRAS DE LAMINAÇÃO 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.

28 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. 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. LAMINADOORES 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 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).

29 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. GAIOLA: A gaiola do laminador é, em geral, uma peça de aço fundido, cujas dimensões são determinadas com um coeficiente de segurança bastante grande. 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.

30 Seção de um laminador desbastador, acionado por um único motor. Observese a caixa de pinhões e as arvores de transmissão, dotadas de juntas universais, que transmitem esforços de rotação aos cilindros.

31 GAIOLA PROTENDIDA A protensão de uma gaiola é obtida do seguinte modo: Tomando-se como referencia a figura dada, a pressão hidráulica é exercida sobre os pistões dos cilindros hidráulicos (15) que sob o efeito dos tirantes (3) se alongam; por intermédio do sistema de regulagem, os mancais do cilindro superior (2) são ajustados na distância desejada em relação ao cilindro inferior; sendo retirada a pressão hidráulica, os tirantes se encurtam e todos os elementos colocados entre as extremidades dos tirantes ficam sujeitos a uma forte pressão; a medida que os cilindros de trabalho se desgastarem e for necessário reajustar a distância entre os cilindros, é novamente exercida pressão hidráulica sobre os cilindros (15), os eixos (3) são forçados a se alongarem e o sistema de regulagem pode assim ser movimentado. Depois retira-se a pressão hidráulica e a gaiola continua trabalhando com a mesma protensão. 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.

32 Corte lateral de uma cadeira duo protendida: 1- lateral, 2- mancal do cilindro superior, 3- eixos de protensão, 15- cilindros hidráulicos, porcas, e 21parafusos de segurança.

33 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. O corpo pode ser liso ou, então, dotado 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.

34 Esquema mostrando partes de um cilindro de laminação. Esquema mostrando partes de um cilindro de laminação com pescoço cilíndrico e garf de acloplamento (acima), e pescoço cônico com munhão de aclopamento.

35 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. CILINDROS DE AÇO Mediante o emprego de elementos de liga e de tratamentos térmicos adequados podese conseguir altas durezas e resistências adequadas com cilindros de aço. O teor de carbono varia de 0,35 a 1%. Os principais elementos de liga são o cromo, o níquel e o molibdênio. 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. Podem também ser empregados como cilindros preparadores. CILINDROS DE AÇO FORJADO: Apresentam melhor resistência ao desgaste. São usados principalmente como cilindros de trabalho de laminadores a frio.

36 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. 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. 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. 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.

37 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 nãoplanos ou produtos longos) ou produção de chapas, tiras e folhas (produtos planos) 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.

38 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.

39 LAMINAÇÃO A QUENTE Representação do processamento de diversos produtos laminados

40 Esquema mostrando aplicações típicas deste produtos.

41 Terminologia dos produtos planos de aço laminado dada pela ABNT

42 LAMINAÇÃO DE TIRAS A QUENTE Os laminadores de tiras a quente são aqueles destinados a produção de chapas finas tiras até espessuras acima de 1,0 mm. Uma boa parte dos produtos dos laminadores de tiras a quente é utilizada na espessura com que sai do laminador, são as chapas finas e tiras a quente. Entretanto, outra grande parte é destinada a laminação a frio, para a produção de chapas finas a frio e das folhas. SEQÜÊNCIA DE OPERAÇÕES NOS TRENS DE TIRAS AQUENTE: 1- preparação das placas; 2- reaquecimento das placas; 3- descarepação; 4- laminação a quente; 5- bobinamento ou corte; 6- decapagem e oleamento (opcional); 7- acabamento.

43 Preparação. A preparação ou condicionamento das placas consiste na eliminação de seus defeitos, a fim de se evitar que os mesmos apareçam no produto acabado. As placas provenientes do desbastador são resfriadas e inspecionadas nas duas faces e, se necessário, é realizada a remoção dos defeitos (geralmente gotas frias, trincas, dobras, superfície queimada, superfície esponjosa, bolsas, etc.) através da escarfagem manual com maçarico ou com a utilização de esmeril. Reaquecimento de placas. Completado o exame e o condicionamento, as placas são transportadas para a área dos fornos de reaquecimento onde sua temperatura será elevada até o ponto que o trabalho de deformação plástica seja facilitado. Os fomos são do tipo contínuo dotados de um sistema de carregamento, podendo ser de empurrar ou de vigas caminhantes. Descarepação. A descarepação, ou seja, a eliminação da camada superficial de óxido, merece atenção especial, pois, a qualidade de superfície da chapa acabada depende em grande parte, do cuidado com que ela (a camada de óxido) for removida.

44 Laminação a quente A laminação a quente, pode ser feita em laminador contínuo ou semicontínuo. LAMINADOR CONTÍNUO No arranjo dos trens contínuos de tiras aquente, o mesmo é dividido em duas partes: trem preparador e trem acabador. O número e o tipo de cadeiras utilizadas em cada trem variam em função do grau avanço tecnológico da empresa projetista/construtora do equipamento, do tipo de aço a ser laminado, da capacidade de produção almejada, etc. 1. Trem preparador: O trem preparador pode ser composto por até de 4 cadeiras quádruo, não reversíveis, distanciadas entre si de tal modo que a placa quase nunca é laminada em duas cadeiras simultaneamente. Outra opção é a utilização de uma cadeira quádruo reversível. A primeira cadeira, que é precedida por um quebrador de carepa pode ser utilizada como alargadora de placas no caso de laminação cruzada. Para a operação de alargamento, torna-se necessário uma mesa viradora e uma prensa endireitadora de bordas. As três cadeiras seguintes são, geralmente, dotadas de cilindros verticais para laminar as bordas da chapa.

45 Entre o trem preparador e o acabador tem-se uma mesa de rolos de grande comprimento, cuja finalidade principal é permitir o controle da temperatura da chapa antes de sua entrada no trem acabador. Nos modernos trens de chapas finas aquente, utilizam-se fornos conhecidos como coil box depois do trem de desbaste. A finalidade deste equipamento é evitar o resfriamento do esboço que está sendo laminado devido ao aumento da superfície de contato esboço/ambiente. O princípio de funcionamento baseia-se no bobinamento do esboço no momento que a espessura atinge a faixa de 20 a 40 mm. A utilização do coil box permite a construção de unidade mais compactas de laminação de chapas finas aquente.

46 Representação esquemática do coil box posicionado depois do trem de desbaste; 1- rolos do berço; 2- rolo de desempenamento inferior; 3- rolo de formação da bobina; 4- rolos defletores; 5- braço oscilante com unidade ajustável; 6- rolos de desempenamento superiores; 7- pistão hidrálico de ajuste; 8- engrenagem (fuso) de elevação para ajustar o gap de desempenamento; 9- capa da forno; 10mecanismo de transferência de bobina; 11- unidade de desbobinamento

47 Representação esquemática da seqüência de bobinamento e desbobinamento do coil box

48 2. Trem acabador: O trem acabador é constituído de 4 a 7 cadeiras quádruo não reversíveis, colocadas muito próximas umas das outras de modo que a chapa é laminada simultaneamente, em todas as cadeiras. Antes do trem acabador, tem-se uma tesoura de pontas e um quebrador de carepas. Entre a última cadeira do acabador e as bobinadeiras, tem-se as mesas de resfriamento. Trata-se de uma linha de rolos de grande comprimento onde se lança água sobre a tira a fim de resfria-la até uma temperatura conveniente para o bobinamento. Alguns trens contínuos de tiras a quente, produzem também chapas grossas, as quais no entanto, geralmente, só são laminadas no trem preparador.

49 Representação de um laminador contínuo de tiras a quente

50 LAMINADOR SEMICONTÍNUO O laminador semicontínuo é muito semelhante ao laminador contínuo. A diferença principal reside no fato de que ao invés de várias cadeiras preparadoras, todas girando na mesma direção, empregam-se para o mesmo trabalho, uma ou duas cadeiras reversíveis. A capacidade de produção destes trens é inferior a dos trens contínuos. LAMINADOR STECKEL Como o custo inicial do laminador contínuo ou semicontínuo é um investimento muito alto, sua aquisição só se torna econômica para grandes produções. Por isto, foi desenvolvido um laminador para produções menores chamado de laminador Steckel, o qual consiste de: um laminador duo ou de um laminador de bordas com cilindros verticais para quebrar a carepa; uma cadeira quádruo reversível única, de dois fornos com bobinadeiras (uma câmara revestida internamente de refratário, aquecida a gás ou a óleo, dentro da qual tem-se um mandril enrolador); cilindros impulsionadores ou arrastadores; mesas de aproximação e de saída.

51 Nos primeiros passes a laminação é realizada de maneira convencional e os fornos não são utilizados. Quando se atinge uma determinada espessura, passa-se a enrolar a tira alternadamente em um dos fornos. Os fornos estão muito próximos da cadeira de modo que ao mesmo tempo em que a chapa é laminada, ela está sendo enrolada num forno e desenrolada no outro. Quando completa-se o passe, inverte-se o sentido de laminação e a tira é introduzida no mandril do forno onde vai ser enrolada. Deve ser observado que a finalidade dos fornos não é a de aquecer a tira e sim atenuar o resfriamento. Mesmo assim, as extremidades se resfriam muito e podem apresentar espessura irregular.

52 Representação de um laminador Steckel para produção de chapas finas a quente Representação esquemática de alguns componentes do laminador Steckel.

53 ASPÉCTOS METALÚRGICOS NA LAMINAÇÃO DA LAMINAÇÃO A QUENTE Inicialmente, as operações de laminação tinham como único objetivo atender as dimensões desejadas do laminado. Entretanto, desde os anos 50, tem-se percebido que tanto a temperatura final do laminado após o último passe, quanto e o grau de redução aplicado no mesmo afetam significativamente as propriedades físicas do produto. Desta forma, em muitos processos de laminação a quente, muitas operações são realizadas de modo a alcançar uma temperatura final que leva as propriedades físicas desejadas no produto. Estas operações são chamadas de laminação controlada e mais recentemente de tratamentos termo mecânicos. No processo de laminação a quente o material é aquecido até uma temperatura de encharque, realizando a sua austenitização, a seguir deformações programadas são impostas nas etapas de desbaste e acabamento e, finalmente, um resfriamento controlado deste.

54 Uma das conseqüências do processo de reaquecimento do aço é o crescimento de grão. O controle deste crescimento é uma etapa importante no processo de laminação controlada onde se desenvolvem grandes esforços para alcançar produtos com estruturas de granulação fina. Para aços microligados, a temperatura de reaquecimento deve ser alta o bastante para solubilizar as partículas estáveis que se formaram com as ligas. A temperatura de reaquecimento também afeta a formação da chamada bandas de deformação, a qual desenvolve um importante papel durante o processo subseqüente de restauração do grão. Para que o tamanho de grão final da austenita seja fortemente dependente do reaquecimento do grão, é necessário a temperatura de reaquecimento seja mantida acima da temperatura de crescimento do grão. Parâmetros de operação industrial, tais como: deformação, taxa de deformação e temperatura podem ser correlacionados com os fenômenos metalúrgicos envolvidos no processo e tratados por equações empíricas conhecidas na literatura. A análise e interpretação destes dados, em conjunto com os dados operacionais, podem caracterizar o comportamento mecânico a quente destes aços e, assim, diminuir os custos de processamento.

55 Objetivos gerais da laminação controlada dos aços A laminação controlada ou tratamentos termomecânicos são uma série de tratamentos térmicos e de deformações plásticas de modo a se alcançar as melhores propriedades mecânicas dos aços tais como: a - Maior resistência ao escoamento; b - Melhor tenacidade; c - Melhor soldabilidade; d - Maior resistência à fratura frágil; e - Maior resistência à fratura dútil de baixo nível de energia; f - Menor impacto nas temperaturas de transição; g - Boa conformação a frio, particularmente no dobramento; h - Redução de custo a qual é possível utilizando a laminação à quente ao invés de seção de tratamentos térmico posterior. Um fator adicional à redução de custo é o fato do processo de laminação controlada permitir que se alcance as propriedades desejadas com menos quantidades de elementos de liga no aço do que as necessárias no processo de laminação à quente convencional.

56 Fenômenos Metalúrgicos Durante A Laminação Na laminação a quente de aços estão presentes os processos amaciamento da austenita simultaneamente aos processos de endurecimento (encruamento). A restauração dos grãos é um mecanismo de amaciamento do material, onde a energia de deformação elimina as discordâncias e outros defeitos cristalinos, tais como, vazios e elementos intersticiais, permitindo o rearranjamento da estrutura cristalina.

57 Estado encruado

58 Nucleação

59 Recristalização

60 Crescimento do Grão Austenítico

61 Laminação a quente dos aços Alguns autores estabelecem os seguintes mecanismos de restauração ou amaciamento: a - Processos de restauração dinâmicos: Iniciam e são completados durante a deformação; incluem os processo de recuperação dinâmica e recristalização dinâmica; b - Processos de restauração metadinâmicos: Iniciam durante a deformação e são completados após o termino desta; incluem os processo de recuperação estática e recristalização estática; c - Processos de restauração estáticos: Iniciam e são completados após a deformação.

62 Inicialmente na laminação à quente, a microestrutura do aço consiste de grãos equiaxiais grosseiros de austenita. Durante o passe no laminador, os grãos de austenita são deformados e alongados. As bandas de deformação podem aparecer dentro dos grãos de austenita, como mostrado na mesma figura Ilustração esquemática da recristalização estática.

63 Processos de restauração/amaciamento estáticos, dinâmicos e metadinâmicos

64 Processo de restauração Dinâmico e Metadinâmico Quando o aço é deformado no estado de austenita a altas temperaturas, a tensão de escoamento aumenta para um máximo e em seguida cai para um valor constante, como pode ser visto na figua a seguir. Isto é devido ao fato de que após um certo tempo de deformação, a geração de discordâncias e sua posterior eliminação alcançam um certo equilíbrio de modo que o material pode continuar a ser deformado sem que ocorra qualquer aumento ou diminuição na tensão de escoamento. Esta tensão é denominada de tensão de escoamento no regime estacionário. Desta forma, nos processos de restauração dinâmicos deve-se atingir um grau de deformação crítico (mínimo) a partir do qual estes processos sejam estáveis, o que em geral não acontece. As microestruturas obtidas por processo de restauração dinâmicos não são estáveis e em altas temperaturas são modificadas por processos de restauração metadinâmicos e estáticos.

65 Na recristalização dinâmica, os ciclos de endurecimento e amaciamento seguem um ao outro alternadamente. Como um exemplo, tem-se na figura dada, onde as curvas tensão-deformação de um aço com 0,25%C é deformado na fase austenítica (1102 C) sob diversas velocidades de deformação. Como pode ser visto, a periodicidade depende acentuadamente da velocidades de deformação, aparecendo apenas um pico a altas velocidade de deformação e aumentando o número de picos a medida que a velocidade é reduzida.

66 Curvas tensão-deformação de um aço com 0,25%C mostrando a influência da velocidade de deformação na peridodicidade de picos de tensão; este comportamento está relacionado com o fenômeno de recristalização dinâmica.

67 Processo de restauração Estático O mecanismo de recuperação estática, ou seja, a redução da quantidade de defeitos pontuais e a eliminação do emaranhado de discordâncias em pequenas distâncias, é termicamente ativado. Assim, a cinética do processo é influenciada pela temperatura de processamento do aço. Além disso, as variáveis que afetam o movimento das discordância (barreiras) tais como átomos de soluto ou de precipitados, irão afetar a velocidade com que a recuperação ocorre. Na laminação à quente, a recristalização estática pode iniciar espontaneamente. O núcleo de recristalização toma lugar preferencialmente nos contornos de grãos alongados e nas bandas de deformação. O amaciamento do material devido a recuperação e recristalização estáticas ocorre numa velocidade que depende das condições de deformação e da temperatura anteriores. De uma maneira geral pode-se dizer que quanto maior a temperatura do processo, o grau de deformação, a velocidade de deformação, ou seja fatores que aumentam a energia interna do material, maior é a taxa de ocorrência de recuperação.

68 Fatores que afetam a velocidade e o tamanho dos grãos recristalizados : 1. Tamanho de grão da austenita antes da deformação a qual é função da..temperatura de aquecimento. 2. Temperatura de recristalização do material, 3. Quantidade de deformação antes de qualquer deformação, Como os sítios de recristalização são predominantemente localizados nos contornos de grãos, ambos: tempo de recristalização e tamanho de grão são afetados pelo tamanho de grão inicial. A Temperatura de recristalização de um aço é a temperatura mais baixa a qual a estrutura austenítica se recristaliza completamente após deformação. Portanto, quanto mais alta a temperatura de laminação a quente,maior será o número de grãos deformados que serão recristalizados. A temperatura de recristalização do material aumenta com a adição de elementos de liga. O cobalto, alumínio, nióbio, titânio e em menor grau o vanádio retardam a recristalização estática e dinâmica.

69 Mudanças Estruturais no Aço Durante o Resfriamento Após a laminação a quente, o material é sujeito a um resfriamento combinado de ar e água. O tamanho de grão da ferrita será afetado por: a - temperatura final de laminação, b - atraso de tempo entre a laminação e o início do resfriamento com água, c - velocidade de resfriamento. O tamanho de grão da ferrita no aço aumenta com o aumento do atraso de tempo e diminui tanto com a diminuição da temperatura final de laminação quanto com o aumento da velocidade de resfriamento do material.

70 Efeito da Estrutura do Aço na Tensão de Escoamento do Material. Durante a deformação do aço, energia é armazenada devido a deformação dos grãos na forma de defeitos no reticulado(discordâncias). Desta forma, onde ocorre uma recristalização em que os defeitos do reticulado são eliminados e a energia armazenada nos grãos deformados é reduzida, então a tensão de escoamento de uma estrutura completamente recristalizada será bem menor do que aquela que foi parcialmente recristalizada. Entretanto, um método para se avaliar corretamente a tensão de escoamento na laminação à quente, é considerar as seguintes duas situações. a - tempo de recristalização estático tr é menor ou igual ao tempo entre passes ti (tr<ti), b - tempo de recristalização estático tr é maior do que o tempo entre passes ti ( tr > ti ).

71 O primeiro caso está mostrado na figura dada onde d01 é o tamanho de grão inicial antes do primeiro passe. A estrutura dos grãos é de completamente recristalizada (XR=1) após tempo tr a qual o tamanho de grão é igual a dr. Por conseguinte, a tensão de escoamento para o segundo passe pode ser determinada pelo uso da equação conhecida aplicável para estruturas de grãos completamente recristalizadas. Evolução dos parâmetros estruturais entre os passes.

72 No segundo caso a recristalização estática não se completa antes do segundo passe, então a tensão de escoamento pode ser apresentada como consistindo de dois componentes, ou seja: a componente da tensão de escoamento correspondente a parte recristalizada da estrutura dos grãos, e a componente da tensão de escoamento correspondente a parte não recristalizada da estrutura dos grãos. Estes fenômenos metalúrgicos citados são muito utilizados na laminação controlada devido a forte relação entre as mudanças microestruturais e as propriedades mecânicas do aço durante a laminação à quente e no resfriamento dos aços, na última década estudos tem sido feitos no sentido de se desenvolver modelos que levem em consideração propriedades físico-químicas e metalúrgicas do aço e também variáveis operacionais, com o objetivo de se otimizar o processo de laminação. O controle das propriedades mecânicas do aço durante a laminação contribui para a redução de custos devido a menor necessidade de adição de elementos de liga no refino do aço e redução de tratamentos térmicos posteriores, visando melhorar suas propriedades mecânicas. Além disso, um controle computacional microretrutural reduzirá o número de amostragens e conseqüentemente aumentará a produtividade da laminação.

73 CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA NUMA USINA SIDERÚRGICA Numa usina integrada, pode-se considerar os seguintes valores: Unidade Metalúrgica Sinterização Coqueria Alto Forno Fábrica de Oxigênio Conversor a oxigênio Lingotamento Contínuo Desbastador de blocos Laminador de barras Desbastador de placas Laminador reversível para chapas grossas Laminador de Tiras a Quente Acabamento de tiras laminadas a quente kwh/t

74 Na CST; a Geração e Recepção/ Envio de Energia Elétrica, Fracionamento de Ar, Sistema de Geração de Vapor, Sistema de Combustíveis e Sistema de Águas; ficam a cargo do Centro de Utilidades. Suas principais atividades são: a) Geração de energia elétrica: Geradores 1 e 2 (104 MW). Gerador 3 (75 MW). Turbina de Topo (TRT) (16MW). Geração Diesel 2 x 2 MW + 1 MW (emergência para o Alto Forno); b) Garantir sopro estável para os Altos Fornos 1 e 2; c) Produção de vapor de processo, oxigênio líquido e argônio líquido; d) Produção/ Distribuição de oxigênio, nitrogênio e de ar comprimido; e) Distribuição de combustíveis; f) Captação/Tratamento/Distribuição de águas; g) Recebimento/Envio/Transformação/Distribuição de Energia Elétrica; Produção média horária (dados de 1998) -195 MW, sendo 35 MW enviados para Escelsa e 160 MW consumidos internamente.