13 - Variáveis Operacionais na Laminação de Planos

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2006/1
Prof. Ricardo Domingues
MET146 – Transformação Mecânica dos Metais
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DEFEITOS DE FORMA E VARIÁVEIS OPERACIONAIS NA LAMINAÇÃO DE PLANOS
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FLEXÃO DOS CILINDROS DE LAMINAÇÃO
 Os cilindros de laminação comportam-se como vigas fixas em suas extremidades com uma carga aplicada em sua região central e, naturalmente, estarão sujeitos a uma flexão. 
 Para compensar a variação de espessura (ao longo da largura da tira) oriunda dessa flexão, recorre-se ao coroamento dos cilindros, ou seja, eles são usinados com diâmetro maior no centro e menor nas extremidades.
 A falta de coroamento (ou um coroamento negativo) e o excesso de coroamento positivo levam a diferentes padrões de defeitos nas chapas 
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trincas ao longo da linha central 
empenamento 
ondulações nas bordas 
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trincas ao longo das bordas 
fendilhamento 
ondulações na linha central 
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 Ao se buscar a maior uniformidade possível de espessura para a tira laminada visa-se, sobretudo, evitar que ocorram esses tipos de defeito, mas há uma razão mais importante, de cunho econômico: 
 				 numa chapa fina, de 1mm de espessura, uma pequena variação de apenas 20mm entre o centro e as bordas representa uma diferença de 2%; sendo requerida uma espessura mínima, parte da tira ficará mais espessa que o necessário, levando a prejuízo para o consumidor, se o aço for comercializado por peso, ou para o fornecedor, caso o seja por área de chapa.
 Mesmo com um coroamento adequa-do, há uma tendência ao trincamento nas bordas, causado pela diferença entre os estados de tensão reinantes ao longo da linha central e nos extremos das beiradas da tira. 
 	 O estado plano de deformação é garantido pelo material adjacente ao existente dentro da zona de deformação, mas isto só ocorre na faixa central da tira. Nas beiradas, a tensão compressiva na direção y dimi-nui progressivamente até se anular no extremo da borda. 
 	 	 Assim, o estado plano de deformação não existe na borda e ali a chapa tende a alargar e embarrigar. Com uma borda arredondada, a tendência à formação de trincas aumenta ainda mais, pois há a necessidade de uma tensão de tração sx ainda maior nas bordas para manter um alongamento uniforme da tira.
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 Dentre as práticas úteis decorrentes da restrição da espessura mínima de chapa destaca-se o uso de cilindros de pequeno diâmetro. Neste caso, a flexão dos cilindros é ainda maior, exigindo o uso de cilindros de encosto, como nas cadeiras quádruo (4H) e sêxtuplas (6H). Além dessa flexão no plano perpendicular à chapa, as forças de atrito produzem, no plano paralelo ao de laminação, uma flexão nos cilindros que exige, no caso de serem necessários cilindros de trabalho muito finos, um arranjo de múltiplos cilindros de encosto, como no laminador Sendzimir.
 A descrição que já fizemos dos equipamentos de laminação foi apenas superficial, mas um detalhamento de todos os tipos de laminadores em uso (e já em desuso) na indústria siderúrgica ultrapassa o escopo deste curso. Ela pode ser encontrada nos manuais de siderurgia (“The Making, Shaping and Treating of Steel”, da United States Steel; “Manual de Siderurgia – Transformação”, de Luiz Antônio de Araújo; Metals Handbook, da American Society for Metals), nas revistas especializadas (Metalurgia e Materiais, da ABM; MPT - Metallurgical Plant and Technology, etc.), nos eventos correlatos (a ABM, por exemplo, promove anualmente um seminário de laminação) e, obviamente, na Internet .
 Numa disciplina eletiva a ser oferecida num futuro próximo, serão enfocados aspectos tecnológicos da laminação de tiras a quente e a frio, com descrição das linhas de laminação, equipamentos acessórios e, em especial, instrumentos de controle dimensional, de temperatura, velocidade e de qualidade do produto.
 Agora, por sua importância no entendimento de como operar um laminador de produtos planos de aço de maneira eficaz, estudaremos as variáveis que influenciam mais diretamente a carga de laminação.
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Ponto de operação
VARIÁVEIS OPERACIONAIS NA LAMINAÇÃO DE PLANOS
 Assim, qualquer alteração nas variáveis que definem a carga de laminação afetará a posição do ponto de operação e, portanto, a espessura de saída da chapa.
 Entre as variáveis que afetam de maneira mais sensível a carga de laminação, podem ser citadas:
 tensão de escoamento
 coeficiente de atrito
 velocidade de laminação
 espessura inicial
 redução
 tensões à frente e a ré
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Variações na tensão de escoamento
 Como se pode deduzir a partir da análise de qualquer dos modelos apresentados para o cálculo da carga de laminação, o aumento da tensão de escoamento leva a elevação nos esforços exercidos sobre o laminador. 
 Da equação de controle dimensional deduz-se, então, que um incremento na tensão de escoamento de determinada chapa em processo produzirá um aumento na espessura de saída.
 O regime de trabalho considerado normal é o mostrado na curva I (ponto de operação A e espessura de saída hf). 
 Um endurecimento localizado, na chapa que está sendo laminada, levaria à curva III (ponto de operação C) e sua espessura final seria hf2 > hf . 
 Tais variações aleatórias na tensão de escoamento podem ser produzidas por matéria-prima não homogênea ou, especificamente na laminação a frio, por recozimento não uniforme. As marcas de skids, que podem aparecer nas placas reaquecidas em fornos dos tipos pusher e walking beam, são outra causa de va-riações na carga de laminação e, portan-to, nas condições operacionais.
 Caso, em determinado momento, o material fique mais macio, o regime de trabalho passará a ser re-gido pela curva II, com ponto de operação B e espessu-ra final hf1 < hf .
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 Os efeitos das alterações no coeficiente de atrito são similares aos produzidos por alterações na tensão de escoamento, pois tais fatores contribuem, ambos no mesmo sentido, para alterar a carga de laminação.
Variações no coeficiente de atrito
					 Deduz-se, então, a partir da equação de controle dimensional, que flutuações positivas no coeficiente de atrito no processo produzirão aumento na espessura de saída e flutuações negativas produzirão diminuição.
		 Novamente, digamos que o regime de trabalho normal seja o da curva I (ponto de operação A e espessura hf de saída). 
				 Uma falha momentânea de lubrificação conduziria à curva III (ponto de operação C) e a espessura final da chapa seria hf2 > hf . 
	 Assim, falhas opera-cionais no sistema de lubrificação, na laminação a frio, ou na homogeneidade da carepa, na laminação a quente, po-dem produzir variações na espessura de saída da tira laminada. Outro fator de variação do coeficiente de atrito são as mudanças de velocidade que ocorrem durante os períodos de aceleração e desaceleração dos laminadores. 
 			 Caso,em deter-minado momento, o coeficiente de atrito diminua, o regime de trabalho passará a ser o da curva II, com o ponto de operação em B e espessura final hf1 < hf .
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 As alterações na espessura inicial afetam a redução total e, portanto, a carga de laminação. Embora a influência de tais variações sobre a espessura de saída seja semelhante à verificada para os fatores analisados anteriormente, agora as curvas da carga de laminação, além da mudança de comportamento, sofrem um deslocamento lateral, como também já vimos, pois varia a espessura de entrada.
Variações na espessura inicial da chapa
Retomando a análise do controle dimensional, novamente consideremos normal o regime de trabalho da curva I (ponto de operação A e espessura de saída hf). 
	 Um aumento na espes-sura de entrada para hi2 conduz à curva III (ponto de operação C) e a espessura final da chapa passa a ser hf2 > hf . 
Este tipo de problema levou à necessidade de se implantar, nos laminadores contínuos, o controle automático de espessura (AGC), com medições (via instrumentos) e ações (via FB, FFW, APC, ASR, LPC, etc.) em tempo real. 
Uma diminuição na espessura de entrada de hi para hi1 produzirá uma mudança no regime de trabalho, que passará a ser o da curva II, com o ponto de operação em B e espessura final hf1 < hf .
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 A carga de laminação, como vimos, diminui com a aplicação de tensões de tração à frente e/ou a ré sobre a chapa em processamento. Assim, estabelecido um regime de trabalho, alterações nas tensões aplicadas produzem variações na espessura de saída.
Influência da aplicação de tração à frente e a ré na chapa
		 Supondo normal o regime de trabalho descrito pela curva I (ponto de operação A e espessura de saída hf), 
	 Uma diminuição nas tensões aplicadas provoca o contrário (curva III e ponto de operação C) obtendo-se uma espessura de saída hf2 > hf . 
Salta aos olhos, então, principalmente nos casos da laminação contínua de tiras, tanto a quente como a frio, a importância dos controles automáticos e das ações em tempo real, pois qualquer falha no sistema acarretará desajustes de velocidade entre cadeiras contíguas e alteração nas tensões de tração; isto provocará, no mínimo, variações de es-pessura ao longo da tira, mas pode ser catastrófico, caso a carga suba muito.
					 qualquer elevação nas tensões à frente e/ou a ré produz uma diminuição na carga de laminação e a conseqüente diminuição na espessura de saída, pois o regime de trabalho passará a ser o da 			curva II, com o ponto de	operação em B e espessura 			final hf1 < hf . 			
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CONTROLE DIMENSIONAL NA LAMINAÇÃO DE PLANOS
 As variações na espessura final, provocadas pelos diversos fatores analisados, podem ser corrigidas operando na abertura entre os cilindros, por meio de ação sobre os parafusos de ajuste. 
			 Como exemplo, analisemos o que deve ser feito quando um afinamento circunstancial da chapa a ser processada produz uma diminuição na espessura de saída.
g*
		 	 O regime de trabalho é dado pela curva I e pela abertura entre os cilindros g ; a chapa chega com uma espessura hi e sai espessura hf (ponto de operação A).
 No instante em que a chapa entra com uma espessura hi1 menor (situação representada pela curva II), o ponto de operação correspondente será B, resultando, então, uma espessura de saída hf1 < hf . 
	 Com as condições de trabalho impostas pela curva II, para que a espessura final seja hf é necessário que o ponto de opera-ção seja C.
	 Isto pode ser obtido modificando-se a abertura entre os cilindros para g*; 
	 		 este ponto é obtido traçando-se por C uma reta paralela à reta elástica do laminador. 
 Um outro modo de ação para correção de alterações nas variáveis de processo são modificações, em tempo real, nas tensões à frente e a ré, também via AGC.
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