Laminação: Processo de Deformação Plástica

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Laminação
Introdução
É um processo de deformação plástica em que o material passa entre dois rolos. É o processo mais utilizado, pois apresenta uma alta produtividade e um bom controle dimensional do produto acabado. Na laminação, seja a quente ou a frio, o objetivo principal é a diminuição da espessura do metal. Normalmente, há apenas um pequeno aumento na largura e um maior aumento no comprimento.
Na laminação, o material é sujeito à altas tensões compressivas, do pensamento entre os rolos, e a tensões cisalhantes superficiais, da fricção entre os rolos e o material. Essa fricção é também o que puxa o metal durante o processo.
Normalmente, a laminação inicia a partir de um lingote fundido. A redução/desbaste inicial desses lingotes/tarugos é feita normalmente por laminação a quente. Depois, segue-se com mais uma etapa de laminação a quente para a produção de chapas grossas, chapas finas, barras, perfis estruturais, etc.
A laminação a frio ocupa posição de destaque na produção de chapas finas, fitas e folhas finas com esmerado acabamento superficial, propriedades mecânicas melhoradas e ótimo controle dimensional do produto final.
Laminadores
Um laminador consiste, basicamente, em rolos laminadores, mancais, uma carcaça (gaiola) para fixar essas partes e um motor que fornece potência para os rolos e controla a velocidade de rotação. 
As forças envolvidas na laminação podem, facilmente, atingir milhares de toneladas. Sendo assim, é necessária uma construção bastante rígida e motores extremamente potentes.
Os laminadores podem ser classificados de acordo com o número e o arranjo de rolos. O mais simples de todos é o laminador duo (A), onde os rolos tem o mesmo diâmetro e giram somente em um sentido. Para o material passar novamente pelos cilindros, precisa ser retornado manualmente. Existe também o duo reversível (B), no qual o material pode passar para a frente e para trás através dos rolos que invertem a sua direção de rotação. Existe também o trio (C) que consiste em um rolo condutor superior, um inferior, e um rolo no meio que gira apenas por fricção.
Para diminuir a potência necessária para a laminação, pode-se utilizar rolos de pequenos diâmetros. Contudo, por serem menos resistentes, eles precisam ser apoiados por rolos de encosto de diâmetros maiores. O laminador mais simples nesse tipo de configuração é o laminador quádruo (D). Esse tipo de laminador é muito útil para produzir folhas finas com tolerâncias bem estreitas. O laminador agrupado (E) é aquele no qual cada rolo é suportado por dois rolos de encosto. Esse tipo também se adapta muito bem para a laminação de chapas finas de ligas de alta resistência.
Quando falamos de laminação em larga escala, normalmente instalam-se uma série de laminadores, um atrás do outro, formando assim um “trem de laminação”. Cada grupo de rolos é chamado de “cadeira de laminação”.
É interessante observar que cada cadeira tem uma redução diferente, fazendo com que o material se movimente em diferentes velocidades em cada estágio da laminação. Por isso, é preciso que cada grupo de rolos esteja sincronizado para que cada cadeira pegue o material com uma velocidade igual à de saída da cadeira anterior. Também existem duas partes no laminador chamadas de desenroladeira e bobinadeira, que cumprem a função de fornecer o material pro laminador e recolher o produto final. Além disso, elas também ajudam a fornecer a tração a ré e tração avante do material. Essas forças são importantes, como veremos mais adiante.
Laminação a quente
A primeira operação de transformação a quente para a maioria dos produtos siderúrgicos é feita no laminador primário de desbaste (ou laminador de blocos, de placas, desbastador de lingotes). Esse laminador é, normalmente do tipo duo reversível com rolos entre 24 a 54 polegadas de diâmetro. O objetivo dessa operação é transformar os lingotes fundidos em blocos ou placas para o posterior acabamento em barras, chapas ou folhas. A produção de placas por laminação a quente a partir de lingotes pode ser eliminada pelo uso do lingotamento contínuo para produzir a placa diretamente do aço fundido.
O primeiro desbaste dos lingotes é normalmente feito com pequenas reduções. A carepa que pode ficar no lingote é removida com a laminação do lingote pelas faces menores da sua seção transversal. Depois, o lingote é girado em 90° para a laminação das faces mais largas. Nesse caso, há uma expansão apreciável da largura do lingote. Para contornar isso, eventualmente o lingote é girado em 90° para sofrer passes intermediários.
Na laminação a quente de aços, as placas são normalmente reaquecidas entre 1100 e 1300 °C. Na última cadeira de acabamento, a temperatura varia entre 700 e 900 °C, mas deve estar acima da temperatura crítica para produzir grãos de ferrita uniformemente equiaxiais.
Normalmente, no caso da laminação a quente de não-ferrosos, o equipamento utilizado é muito menos especializado do que na laminação de aços. Os lingotes de não-ferrosos são menores, e as tensões de escoamento são mais baixas do que dos ferrosos, o que permite o uso de laminadores de menor porte. Laminadores duos e trios são normalmente usados para a maioria dos não-ferrosos na laminação a quente. Laminadores quádruos são usados para as ligas de alumínio.
Laminação a frio
A laminação a frio é usada para produzir folhas e tiras com acabamento superficial e com tolerâncias dimensionais superiores comparadas com aquelas produzidas por laminação a quente. Além disso, o encruamento resultante da redução a frio pode ser aproveitado para dar maior resistência ao produto final. Uma porcentagem bem maior de não ferrosos é acabada por laminação a frio comparada com os ferrosos obtidos por laminação. Laminadores quádruos de alta velocidade, colocados em serie com 3 ou 4 cadeiras são usados para a laminação a frio de folhas de aço, alumínio e ligas de cobre.
A redução total atingida por laminação a frio geralmente varia entre 50 e 90%. Quando se estabelece o grau de redução em cada passe ou em cada cadeira de laminação, deseja-se uma distribuição tão uniforme quanto possível pelos diversos passes, sem haver uma queda acentuada em relação à redução máxima em cada passe. Normalmente, a percentagem menor de redução é feita no último passe para permitir um controle melhor do nivelamento e acabamento superficial. As vezes são utilizados procedimentos me que a redução em cada passe é dada de forma a produzir uma carga de laminação constante.
Forças e relações geométricas na laminação
A figura ilustra algumas importantes relações entre a geometria dos rolos e as forças envolvidas na deformação do metal por laminação. Uma chapa metálica com espessura h0 entra no laminador no plano de entrada XX com velocidade v0. Ela passa pela abertura do laminador e deixa o plano de saída YY com a espessura reduzida para hf. 
Numa primeira aproximação, não se considera nenhum aumento na largura, de forma que a compressão vertical é transformada apenas em alongamento na direção de laminação.
Como volumes iguais de material devem passar num dado ponto por unidade de tempo, podemos escrever:
b.h0.v0 = b.h.v = b.hf.vf
b= largura da chapa
v = velocidade em qualquer espessura intermediária entre h0 e hf.
Para que cada elemento vertical da chapa não sofra distorção, percebe-se que a velocidade de saída (vf) deve ser maior que a velocidade de entrada (v0). Assim, a velocidade do material laminado deve crescer continuamente entre a entrada e a saída. Somente em um ponto ao longo da superfície de contato entre o rolo e o material laminado possuem velocidade igual. Esse ponto é conhecido como ponto neutro, ou ponto sem deslizamento. O ponto neutro está indicado pela letra N na figura acima e fica bem próximo do plano YY de saída.
Ao longo da superfície de contato entre o material e rolos, existem duas forças atuantes: a força radial (Pr), e a tangencial de atrito (F). Entre o plano de entrada XX e o ponto neutro N, o material se move mais lentamente que a superfície do rolo e a força de atrito F atua na direçãomostrada na figura. Após o ponto neutro até o plano de saída YY, o material se move em velocidade mais alta que a superfície do rolo. Após o ponto neutro, a força de atrito torna-se reversa, atuando de forma contrária à saída do material dos rolos.
A componente vertical (Pr) é conhecida como carga de laminação (P), e é a força com a qual os rolos comprimem o metal (também é conhecida como força de separação). A pressão específica dos rolos (p) é a carga de laminação dividida pela área de contato. Essa área é igual o produto da largura da chapa laminada (b) pelo comprimento projetado do arco de contato (Lp).
A distribuição da pressão dos rolos ao longo do arco de contato está indicada na figura abaixo.
O ponto de máximo nessa curva de pressão corresponde ao ponto neutro. O fato do ponto neutro não ser um pico agudo bem definido, como pressuposto em cálculos teóricos, indica que o ponto neutro não é uma linha na superfície do rolo, mas sim uma área. A área sob a curva é proporcional à carga de laminação que, para fins de cálculo, atua no centro de gravidade da distribuição de pressão. A forma de distribuição da pressão é importante, porque a localização da carga de laminação resultante, com respeito ao centro dos rolos, determina o torque e a potência necessária pra produzir a redução.
O ângulo α entre o plano de entrada e a linha de centro dos rolos é chamado de ângulo de contato ou ângulo de ataque. A componente horizontal da força normal é Pr.sen(α) e a componente horizontal da força de atrito é F.cos(α). Para a peça ser “mordida” e puxada pelos rolos, a componente horizontal da força de atrito deve ser igual ou maior do que a componente horizontal da força normal. Sendo assim, entende-se que o coeficiente de atrito μ é importante e deve ser considerado.
Em uma situação limite para o material entrar sem ajuda entre os rolos, temos que:
Ou seja: a peça não pode ser puxada pelos rolos se a tangente do ângulo de contato (α) for maior do que o coeficiente de atrito. Se μ = 0, a laminação não pode ocorrer, mas conforme μ aumenta, placas cada vez mais grossas podem ser puxadas pelos rolos. Na prática, isso é visto na redução de lingotes na laminação a quente, onde os rolos possuem ranhuras paralelas ao eixo dos rolos para aumentar o valor de μ.
Para as mesmas condições de atrito, um laminador de grande diâmetro permitirá a laminação de placas mais grossas do que um laminador de pequeno diâmetro. Isso devido aos comprimentos dos arcos de contato (Lp) serem consideravelmente diferentes, uma vez que o ângulo formado pelo centro dos rolos e o plano de entrada será o mesmo em ambos os casos. Trabalhando com as equações chegamos no seguinte:
Onde a redução máxima de espessura é função do coeficiente de atrito (ao quadrado) e do raio do cilindro.
Variáveis de laminação
Os principais parâmetros na laminação são:
- Diâmetro do rolo;
- A resistência à deformação do metal em relação a sua metalurgia, temperatura e taxa de deformação;
- Atrito entre os rolos e o material;
- A presença ou não de tração avante e/ou a ré no plano da placa.
O diâmetro do rolo tem uma influência importante na determinação da bitola mínima que pode ser laminada com um determinado laminador. A carga de laminação também aumenta conforme a chapa vai ficando mais fina. Assim, eventualmente é atingido um ponto onde a resistência à deformação da placa é maior do que a pressão que pode ser aplicada pelo laminador, e assim não se pode prosseguir com a redução da chapa. Isso normalmente ocorre quando os rolos são severamente deformados elasticamente.
Tanto a carga de laminação quanto o comprimento do arco de contato diminuem com o diâmetro do rolo. Além disso, com o uso de rolos de pequeno diâmetro devidamente apoiados, é possível produzir uma maior redução antes do achatamento dos rolos se tornar significante e impedir a continuidade do processo.
E tensão de escoamento média em um processo de laminação pode ser calculada por meio de um teste de compressão no estado plano de deformação. Na laminação a frio, a tensão de escoamento de um material é pouco influenciada pela taxa de deformação ou da velocidade dos rolos. Entretanto, na laminação a quente, a mudança na taxa de deformação pode produzir mudanças significativas na tensão de escoamento de um metal.
O atrito entre rolo e a superfície do metal é de grande importância na laminação. Além de ser responsável por “morder” e “puxar” o material pela garganta do laminador, o atrito representa uma grande fração da carga de laminação. Um atrito alto resulta em grandes cargas de laminação, um acentuado máximo na curva de distribuição de pressões e uma tendência de fissuramento nas bordas.
O atrito varia de ponto a ponto ao longo do arco de contato no rolo, mas é muito difícil medir essa variação de μ ao longo do processo. No fim, todas as teorias de laminação acabam admitindo um coeficiente de atrito constante. Para a laminação a frio com lubrificantes, μ varia cerca de 0,05 a 0,1 , mas para a laminação a quente é comum o coeficiente variar de 0,2 à condição de grimpamento (travar). Como o coeficiente de atrito é menor na laminação a frio, folhas de bitolas mais finas são produzidas por laminação a frio. A espessura também pode ser diminuída com o aumento da velocidade de laminação, visto que isso pode contribuir pra uma diminuição do coeficiente de atrito.
Como já visto anteriormente, o ponto neutro N é aquele no qual a velocidade da placa é igual à velocidade da superfície do rolo e também é o ponto no qual a direção da força de atrito muda de sentido. Do plano de entrada XX até o ponto neutro, a força de atrito atua no sentido da rotação do rolo. Se uma tração a ré for aplicada a placa, o ponto neutro pode ser deslocado para o plano de saída. A tração a ré apropriada para esse deslocamento é atingida quando a velocidade de saída da placa vf é igual à velocidade da superfície dos rolos (vr = R.ω).
A presença de tensão no plano da placa pode reduzir a carga de laminação. Para produzir essa tração a ré, comumente controla-se a velocidade da desembobinadeira relativamente à velocidade dos rolos. A tração avante pode ser criada pelo controle da bobinadeira. Essa redução da pressão do rolo pela tração na placa pode ser explicada pelo critério de von Mises no estado plano, que mostra que a pressão dos rolos é reduzida na proporção direta à tração no plano da placa. Isso resulta num menor desgaste dos rolos e uma maior uniformidade da espessura ao longo da largura do material laminado. Um estudo mostrou que a tração a ré é cerca de duas vezes mais efetiva para a redução da pressão de laminação do que a tração avante.
A carga de laminação Pt, quando estão aplicadas tensões no plano da placa, pode ser calculada pela equação:
A adição de tração avante e a ré juntas reduz a área sob a curva e, além disso, desloca ligeiramente o ponto neutro. Se é aplicada apenas tração a ré, o ponto neutro se desloca na direção do plano de saída. Se a tração a ré for suficientemente elevada, o ponto neutro irá atingir a saída dos rolos. Na prática, quando isso ocorre, os rolos estão se movimentando mais rápido do que o metal e deslizam sobre a sua superfície. Por outro lado, se for aplicada apenas a tração avante, o ponto neutro irá se deslocar para próximo do plano de entrada.
Problemas e defeitos nos produtos laminados
Uma variedade de defeitos pode ocorrer, dependendo da interação do material deformado plasticamente com os rolos deformados elasticamente e com o laminador.
Sob forças de laminação muito altas, os rolos se achatam e envergam, e assim, todo o laminador é distorcido elasticamente. Devido ao “molejo” do laminador, a espessura de uma placa que sai de um laminador é maior do que o espaço entre os rolos quando estão descarregados. A fim de laminar o material para uma determinada espessura com precisão, é necessário conhecer a constante elástica do laminador. Para isso, norlamente usa-se uma curva de calibração.
O achatamento elástico dos rolos com o aumento da pressão de laminação pode resultar em uma condiçãoonde os rolos deformam-se com mais facilidade do que o material que está sendo laminado. Então, para um dado material e para um determinado grupo de condições de laminação, existirá uma espessura mínima, abaixo da qual a placa não pode mais ser reduzida. Lembrando que rolos menores podem produzir folhas mais finas. Uma análise mais completa desse problema mostra que a espessura limite é aproximadamente proporcional ao coeficiente de atrito, ao raio do rolo, à tensão limite de escoamento do material, e é inversamente proporcional ao módulo elástico do rolo.
A abertura entre os rolos deve ser perfeitamente paralela. Caso contrário, uma das arestas da placa sofrerá uma redução maior do que a outra, levando a um alongamento maior e a curvatura da placa.
Existem dois aspectos que devem ser considerados no que diz respeito à forma da placa laminada: uniformidade da espessura ao longo da largura e do comprimento, e a planicidade da placa. A uniformidade da espessura pode ser medida de forma acurada e é submetida a um controle rigoroso em laminadores mais modernos. A planicidade da chapa, por outro lado, é uma característica mais difícil de ser medida com precisão. Quando uma placa passa por um laminador contínuo de alta velocidade, fazer essas medidas se torna difícil. 
Se os rolos se encurvam, isso gera heterogeneidades de deformação, onde as arestas da placa se alongam mais no sentido longitudinal do que no centro (a). Se os extremos da placa fossem livres para deformar independentemente do centro, chegaríamos na situação mostrada em (b). Mas, a placa se mantém como um corpo contínuo e uma série de deformações vai ocorrer para manter a continuidade. Por isso, a região central da placa é tensionada em tração e os extremos em compressão no sentido da laminação (c). O resultado é a formação de arestas onduladas ou sobrepostas (d), ou ainda na forma de estrias de deformação descontínuas ou trincas no centro da folha (e).
Uma solução para esse tipo de problema é a utilização de rolos mais largos no centro do que nas pontas (rolos abaulados). Assim, quando os rolos se encurvarem durante a laminação, eles ficarão com uma abertura de bitola paralela. Esse abaulamento também pode ser produzido termicamente, devido à expansão térmica. O problema desse tipo de correção é que ela é efetiva para apenas uma carga de laminação específica.
Normalmente, as folhas defeituosas desse tipo são produzidas na laminação a quente. Entretanto, não é possível corrigir totalmente esses defeitos em passes subsequentes na laminação a frio. Esses defeitos ficam mais evidentes em tiras bem finas (menor que 0,01 polegada), visto que frações no erro na abertura entre os rolos aumentam, produzindo tensões internas consideráveis. A correção de pequenos problemas de forma pode ser feita com desempeno em tração (usando um rolo tensor entre cada cadeira), ou por flexão numa desempenadeira de rolos.
Outros tipos de heterogeneidades de deformação podem levar a outros defeitos, como o trincamento. Conforme o material passa pelos rolos, todos os elementos ao longo da espessura têm alguma tendência de se expandir lateralmente (na transversal da placa), contudo, as forças de atrito transversais se opõem a isso. Como as forças de atrito são mais fortes no centro da placa, os elementos no centro da placa espalham-se muito menos do que os que estão perto da borda. Com a diminuição da espessura no centro da placa, todos os elementos deformados contribuem para o aumento do comprimento da placa, enquanto que parte da contribuição nas bordas vai para o espalhamento lateral. Como consequência disso, a folha pode desenvolver um pequeno abaulamento nos seus extremos (a). Devido à continuidade entre as bordas e o centro, os extremos da placa ficam tensionados em tração, podendo levar à formação de trincas na aresta (b). Em condições extremas, a distribuição de deformações mostrada em (a) pode resultar num fendilhamento no centro da folha (c).
As trincas nas arestas também podem ser causadas por heterogeneidades de deformação na direção da espessura. Quando as condições de laminação levam a um estado em que apenas a superfície da peça é deformada (ex: pequenas reduções), a seção transversal da peça fica com o aspecto de (a) na figura abaixo. Nos passes subsequentes, o material saliente não é comprimido, mas sim forçado a ser alongar pelo material vizinho perto do centro. Isso acarreta altas tensões trativas secundárias que provocam o aparecimento de trincas nas arestas. Esse tipo de problema é comum na redução inicial de lingotes na laminação a quente (quando h/Lp > 2). 
Quando grandes reduções são aplicadas, a deformação da peça se estende pela espessura da placa, gerando uma expansão lateral e arestas abauladas (como se um barrilamento), como pode ser visto em (b). Forças de tração secundárias, associadas ao barrilamento, também são causa para a formação de trincas nas arestas. 
Quando há o barrilamento, como há um espalhamento maior na região central do que nas superfícies, as superfícies estão sujeitas a tensões de tração e o interior a tensões de compressão. Essa distribuição de tensões se estende também ao longo da direção da laminação. Havendo algum fator metalúrgico que enfraqueça o material ao longo da linha de centro do tarugo, pode haver uma fratura nessa região, como pode ser visto em (c). Esse tipo de fratura é conhecida como rabo de peixe.
Para minimizar a formação de trincas nas arestas na laminação comercial utilizam-se rolos verticais, que mantém as arestas retas e evitam a criação acumulativa de tensões secundárias pelo embarrilamento das arestas. Pode também ser aparadas as arestas após cada passe