Conformado de Metales II
CAPÍTUO I: LAMINACIÓN II
1.1
GENERALIDADES
La laminación, es un proceso de conformación plástica en el que el metal fluye de modo continuo y en una dirección preferente, mediante fuerzas de compresión, por efecto de aplastamiento de los cilindros de laminación y por las tensiones superficiales de cizallamiento originada por la fricción entre los cilindros y el material que se lamina. Las fuerzas de fricción son las encargadas de arrastrar arrastrar el metal. Las deformaciones producidas en laminación plana con cilindros lisos se aprecian en la figura 1.1
Recalcado a la entrada ( N’ N”); las fuerzas de los cilindros sobre el material producen en este una especie de recalcado, que se traduce en un ligero aumento de la sección de la lámina. Deformación masiva (L’L”): tiene lugar en el plano que pasa por los ejes de los
cilindros, llamado plano de laminación. Dilatación a la salida S’S”): al salir el material de los cilindros aumenta su sección ligeramente debido a la elasticidad del material Ensanchamiento: la anchura del material aumenta relativamente poco cuando sale de los cilindros en comparación con la forja. Esto se debe a que el movimiento de 1
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rotación de los cilindros produce un flujo del material, de tal modo, que si se aumenta la velocidad de los rodillos, se consigue la misma anchura que la inicial. Alargamiento: al disminuir el espesor del material y aumentar muy poco su anchura, se produce una disminución de la sección y un notable alargamiento de la pieza laminada. Como a la velocidad de entrada del tocho hay que sumarle el aumento de longitud, la velocidad del avance del material es superior a la velocidad de entrada. A este fenómeno se le denomina aceleración. Los procesos de laminado pueden ser en frio y en caliente. En virtud del rozamiento que existe entre la superficie de los cilindros y la del material, éste es mordido y obligado a pasar entre los cilindros de laminación, disminuyendo su altura o espesor y alargándose. Aunque ya éstos conceptos se trataron en el capítulo anterior en el curso I; por lo que solo se hará un breve resumen.
Para reducir la fuerza de laminación, ya que éstas fuerzas pueden llegar a causar aplastamiento de los rodillos y deflexión que afectan de forma negativa al proceso de laminado. Además el tren de laminación (carcasa, cuñas y rodamientos) puede estirarse debido a estas fuerzas; en consecuencia los rodillos deben de ajustarse más cerca de lo que se ha calculado así compensará esta deflexión y se obtendrá el espesor deseado. Algunos procedimientos para reducir fuerzas de laminación son:
a) Reducir la fricción. b) Reducir el área de contacto reduciendo el diámetro de los rodillos. c) Efectuando reducciones más pequeñas por pasada, a fin de reducir el área de contacto. d) Reducir la resistencia del material elevando la temperatura en el proceso.
Otro método es aplicando tensiones longitudinales a la tira durante la laminación ya que éstas reducen los esfuerzos a la compresión requeridos para deformar plásticamente. El laminado plano Involucra el laminado de planchas, tiras, láminas y placas, partes de trabajo de sección transversal rectangular con un ancho an cho mayor que el espesor.
1.1.1 Trabajo en frío; frío; Se ha comprobado que cada metal o aleación tiene una una temperatura de recristalización; cuando la la deformación plástica, se realiza realiza a una temperatura inferior a su temperatura de recristalización, se llama trabajo en frio, aquí los granos una vez deformados no vuelven a su estado original y aumenta su endurecimiento. , por lo que produce acritud, necesitando a veces someter a los materiales de trabajo a un proceso de recocido para estabilizarlo. estabilizarlo. Se observa en la figura 1.2:
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rotación de los cilindros produce un flujo del material, de tal modo, que si se aumenta la velocidad de los rodillos, se consigue la misma anchura que la inicial. Alargamiento: al disminuir el espesor del material y aumentar muy poco su anchura, se produce una disminución de la sección y un notable alargamiento de la pieza laminada. Como a la velocidad de entrada del tocho hay que sumarle el aumento de longitud, la velocidad del avance del material es superior a la velocidad de entrada. A este fenómeno se le denomina aceleración. Los procesos de laminado pueden ser en frio y en caliente. En virtud del rozamiento que existe entre la superficie de los cilindros y la del material, éste es mordido y obligado a pasar entre los cilindros de laminación, disminuyendo su altura o espesor y alargándose. Aunque ya éstos conceptos se trataron en el capítulo anterior en el curso I; por lo que solo se hará un breve resumen.
Para reducir la fuerza de laminación, ya que éstas fuerzas pueden llegar a causar aplastamiento de los rodillos y deflexión que afectan de forma negativa al proceso de laminado. Además el tren de laminación (carcasa, cuñas y rodamientos) puede estirarse debido a estas fuerzas; en consecuencia los rodillos deben de ajustarse más cerca de lo que se ha calculado así compensará esta deflexión y se obtendrá el espesor deseado. Algunos procedimientos para reducir fuerzas de laminación son:
a) Reducir la fricción. b) Reducir el área de contacto reduciendo el diámetro de los rodillos. c) Efectuando reducciones más pequeñas por pasada, a fin de reducir el área de contacto. d) Reducir la resistencia del material elevando la temperatura en el proceso.
Otro método es aplicando tensiones longitudinales a la tira durante la laminación ya que éstas reducen los esfuerzos a la compresión requeridos para deformar plásticamente. El laminado plano Involucra el laminado de planchas, tiras, láminas y placas, partes de trabajo de sección transversal rectangular con un ancho an cho mayor que el espesor.
1.1.1 Trabajo en frío; frío; Se ha comprobado que cada metal o aleación tiene una una temperatura de recristalización; cuando la la deformación plástica, se realiza realiza a una temperatura inferior a su temperatura de recristalización, se llama trabajo en frio, aquí los granos una vez deformados no vuelven a su estado original y aumenta su endurecimiento. , por lo que produce acritud, necesitando a veces someter a los materiales de trabajo a un proceso de recocido para estabilizarlo. estabilizarlo. Se observa en la figura 1.2:
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1.1.2 Trabajo en caliente; Pero si la deformación plástica se realiza a una temperatura superior a su temperatura de recristalización, los granos se deforman; pero se reabsorben y vuelven a su forma y estructura original simultáneamente; a éste último proceso lo llamamos trabajo en caliente y es un proceso que no produce acritud. Como puede observarse en la figura 1.2 siguiente:
Figura 1.3 Proceso de laminación plana. Laminar lleva consigo una mejora importantísima de las cualidades del material, reduciendo defectos y mejorando la estructura química, no siendo estas mejoras tan 3
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importantes en otros tipos de procesos como en la forja. Los procesos de laminación pueden ser en caliente y en frio; dentro de éstos dos procesos laminados planos y no planos.
1.1.3 Análisis de laminación plana.- El laminado plano comprende el laminado de piezas con sección transversal rectangular con un ancho mayor que el: En el laminado plano se reduce el espesor del material una cantidad, de acuerdo a la relación:
Donde:
diferencia (mm); h 0 = espesor inicial (mm); h f = espesor final (mm).
También se puede expresar en relación a la reducción (r ):
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Al reducirse el espesor, aumenta el ancho y la longitud del material de trabajo; pero debido a la conservación del material y que solo cambia de forma, el volumen inicial es igual al volumen final:
Donde: w 0 , L0 corresponden al ancho y largo iniciales de trabajo (mm); w f , Lf son ancho y largo finales de trabajo (mm).
Velocidad volumétrica. En el laminado plano también permanece constante la velocidad volumétrica del material, por tanto, la velocidad de entrada (inicial) y salida (final) del material se relacionan de la siguiente manera:
Donde: v 0 y v f son las velocidades de entrada y salida del material de trabajo, respectivamente. Los rodillos entran en contacto con el material de trabajo, a lo largo de un arco de contacto definido por el ángulo θ. Cada rodillo tiene un radio R y su velocidad de rotación, tiene una velocidad superficial vr . Esta velocidad es mayor que la velocidad de trabajo vi y menor que la velocidad de salida v f . Como el flujo de metal es contínuo, hay un cambio gradual en la velocidad del material de trabajo entre los rodillos. Sin embargo, existe un punto a lo largo del arco donde la velocidad de trabajo se iguala a la velocidad del rodillo. Este punto se llama pun to de no d eslizamiento , también conocido como p u n t o neutro. A cualquier lado de este punto, ocurren deslizamientos con fricción entre el rodillo y el material de trabajo. La cantidad de deslizamiento entre los rodillos y el material de trabajo puede medirse por medio del deslizamiento hacia adelante , este término se usa en laminado y se define como:
Donde: S = deslizamiento hacia adelante. vf = velocidad final del trabajo (salida), (m/seg). vr = velocidad del rodillo (m/seg). 5
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La deformación real.- La deformación real, experimentada por el material de trabajo, se basa en el espesor del material antes y después del laminado. La ecuación es:
Esfuerzo de fluencia promedio.- aplicado al material de trabajo en el laminado plano: Es útil para calcular las estimaciones de fuerza y potencia de laminación.
La fricción.- Existe un límite máximo para el «d» que puede alcanzarse en la operación de laminado plano dado por la ecuaci:
Donde: dmax = diferencia máxima en mm; o máximo que puede reducirse de espesor. µ = coeficiente de fricción. R = radio del rodillo de laminación en mm. La ecuación indica que si la fricción fuera cero, el adelgazamiento podría ser cero y esto haría imposible la operación de laminación.
Fuerza de laminación.- Dado un coeficiente de fricción suficiente para realizar el laminado, la fuerza F requerida para mantener la separación entre los dos rodillos se puede calcular integrando la presión unitaria de laminado (mostrada como p en la figura 1.4) sobre el área de contacto rodillo-material de trabajo. Esto se puede expresar como sigue:
Donde: F = fuerza de laminado (N) W = ancho del material de trabajo que se está laminando, (mm) p = presión de laminado, (MPa); L = longitud de contacto entre el rodillo y el material de trabajo, (mm). La integración requiere dos términos separados, uno a cada lado del punto neutro. Las variaciones, en la presión del rodillo a lo largo de la longitud de contacto son significativas. La presión alcanza un máximo en el punto neutro y se desvanece a cada lado de los puntos de entrada y salida. Al aumentar la fricción, la presión se incrementa al máximo relativo entre los valores de entrada y salida. Al disminuir la fricción el punto neutro se corre hacia la salida a fin de mantener una fuerza neta que jale el material en la dirección del laminado. Figura 1.5:
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Figura 1.5 Variaciones típicas de presión a lo largo de la longitud dé contacto en el laminado plano. La presión pico se localiza en el punto neutro. Además también se puede estimar la fuerza necesaria para el laminado mediante la ecuación siguiente:
Donde = esfuerzo de fluencia promedio, (MPa); WL = es el área de contacto rodillo-material de trabajo, (m 2) La longitud de contacto se puede calcular mediante:
√
Momento de torsión.- el momento de torsión para cada rodillo es: T = 0.5FL
La potencia requerida para mover cada rodillo es el producto del momento de torsión y la velocidad angular. La velocidad angular es , donde N = velocidad de rotación del rodillo en (rev/min). Así, la potencia para cada rodillo es:
Al sustituir la ecuación T= 0.5FL, en la expresión anterior para la potencia de un rodillo, y al duplicar el valor, ya que un molino de laminado posee dos rodillos, obtenemos la siguiente expresión.
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Donde P = potencia (W); N = velocidad de rotación (rev/min); F = fuerza de laminado, (N); L = longitud de contacto, (m).
EJEMPLO 1: laminado plano Una lámina que tiene 300 mm de ancho y 25 mm de espesor inicial, se reduce a 22 mm de espesor final, en un paso; el laminador utilizado tiene dos rodillos de 250 mm de radio cada uno y están a una velocidad de 5 rad/seg. El material de trabajo tiene una curva de fluencia definida por K =276 MPa y n = 0.15, se asume que el coeficiente de fricción entre los rodillos y el trabajo es 0.12. calcular: a). Si la fricción es suficiente para realizar la operación de laminado. b). Si es así, calcular la fuerza de laminado. c). El momento de torsión. d). La potencia en caballos de fuerza. Solución: a). Si la fricción es suficiente para realizar la operación de laminado.
La reducción del espesor d =
que se intenta en esta operación de laminado es:
d=
El coeficiente de fricción es de:
Como d < dmax, se cumple que 3mm < 3.6 mm; por lo tanto, la fricción es suficiente para la operación del laminado. Rpta. b).
Si es así, calcular la fuerza de laminado . Antes hallamos la longitud de contacto (L) y el esfuerzo de fluencia promedio y la deformación real: Longitud de contacto: Deformación real (ε) = ln(25/22) = 0.1278 Esfuerzo de fluencia promedio:
√ √
Se determina la fuerza de laminado: Rpta.
c).
El momento de torsión.- El momento de torsión requerido para mover cada rodillo está dado por la ecuación: 8
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d).
Rpta.
La potencia en caballos de fuerza. La potencia se obtiene de la ecuación:
Convirtiendo esto a caballos de fuerza (un caballo de fuerza = 746 W ) Rpta.
1.2
Aspectos a tener en cuenta en el laminado en caliente.
1.2.1 Descripción de un proceso de laminación plana. A) Fabricación de planchas. Sigue el procedimiento común de obtención de un acero en una Siderurgia. Hay dos opciones: Proceso por colada continua o en lingoteras. En la figura 1.6, se aprecia un esquema general del proceso hasta la finalización de la plancha.
En el caso de fabricación en lingotes, una vez fundido el acero y formados los lingotes se procede al laminado de los mismos para convertirlos en planchas que reciben el nombre de “slab”. Esta operación se efectúa en trenes de laminación reversibles.
Algunos tipos presentan también rodillos laterales que trabajan simultáneamente las cuatro caras del lingote, eliminando la operación de girar sobre su eje el mismo durante esta etapa. El producto final de esta operación, la plancha o “slab”, tiene de 125 a 230 mm de
espesor., el ancho y longitud aproximados es de acuerdo a la utilidad que se le dará que depende del tamaño del lingote. El procedimiento de colada continua elimina estas diferentes etapas, desarrollando todo el proceso de manera ininterrumpida. 9
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B) Laminado en caliente. Es el siguiente paso. Normalmente hay una etapa intermedia, que consiste en enfriar y almacenar las planchas, hacer un proceso de selección, una preparación de la superficie (escarpado) y un recalentamiento de la plancha a la temperatura conveniente para el laminado. En la figura 1.7, se indican las diferentes etapas de este proceso.
El tren de laminación en caliente, reduce la plancha a una banda continua de unos 2 mm de espesor. Este tren normalmente se compone de dos secciones, una de desbaste y otra de acabado. Puede ser de tipo continuo o reversible, dependiendo de la capacidad de la instalación, etc. Al final de este proceso el, material se termina en forma de bobinas.
C) Laminado en frío. Estas bobinas (coils) producidas deben ser decapadas y lubricadas antes de proceder a su laminación en frío. Dicha operación se suele efectuar en una sucesión de tanques que contienen ácido sulfúrico diluido caliente. Después son lavadas, secadas y lubricadas con aceite de palma u otro lubricante adecuado para la laminación en frío. La línea de decapado va provista normalmente de una cortadora circular que corta los bordes, asegurando así que estos son adecuados para la reducción o laminación en frío, fijando así además el ancho máximo de la hojalata que se obtendrá. En la figura 1.8 se presenta un esquema de esta fase.
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El laminado en frío se puede hacer en trenes continuos (tándem) o reversibles. Durante esta reducción se utilizan lubricantes y refrigerantes, y el espesor resultante es muy cercano al final deseado en el caso de hojalata simple reducida.
D) Recocido. La bobina obtenida es de un material muy duro y sujeto a fuertes tensiones y necesita un tratamiento adecuado para darle la maquinabilidad necesaria Este tratamiento se llama recocido y puede hacerse de forma continua o en hornos de campana. Figura 1.8. En ambos casos es indispensable eliminar los residuos de los agentes lubricantes y enfriadores usados anteriormente, siendo el método empleado para ello, consecuente con el tipo de recocido que se haga, normalmente se emplean medios electrolíticos. E) Skin-pass. A continuación viene la operación de templado- tratamiento superficial o acabado, denominado “skin -pas” o “temper rolling”. Se hace por medio de una reducción o laminación, sin lubricante y muy ligera, que no suele exceder del 2% en espesor. Figura 1.8. Esta etapa da una superficie lisa, mejora la forma e induce en el material la ductibilidad necesaria. En el caso de hojalata doble reducida se sustituye la operación de templado por una segunda reducción de calibre o segundo laminado de aproximadamente el 33%, usando esta vez lubricante superficial.
1.2.2 Calentamiento del material antes del laminado inicial.- El calentamiento de los lingotes a su temperatura de plasticidad, es una etapa muy importante para obtener productos de buena calidad. Para un calentamiento óptimo de los lingotes antes del laminado debe tenerse en cuenta lo siguiente: 11
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a). Los tiempos de tránsito del material en el horno de calentamiento.- El horno para el calentamiento de los lingotes es el denominado horno de foso figura 1.9; es importante mantener los lingotes dentro del horno, el tiempo necesario y a la temperatura óptima que permita el calentamiento completo y homogéneo.
b) Temperatura del horno durante el calentamiento del material a laminarse.La temperatura de calentamiento óptima para lingotes de acero al carbono se obtiene del diagrama hierro-carbono de la figura 1.10. Todas las principales transformaciones que se verifican en los aceros, están relacionadas directamente con las modificaciones polimórficas. La forma (austenita) del hierro tiene la propiedad de disolver hasta un máximo de 2% de carbono 1130 ºC; mientras que la forma α (ferrita) solo disuelve como máximo 0,02% de carbono a 723 ºC. El efecto de la adición de carbono es descender la temperatura de transformación hasta que se alcanza un mínimo para un 0.80% de carbono.
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Puntos de transformación de los aceros.- Se puede apreciar en la figura 1.1 donde: Ac: El Fe3C a 210 ºC, se hace magnético por enfriamiento, y deja de serlo por calentamiento. A1:
Ac1: A2:
transformación eutectoide según las reacciones:
Temperatura de equilibrio para la transformación A 1, a pequeñas velocidades de calentamiento y enfriamiento que se aproximan a cero. Transformación magnética de α :
Ac2: Por calentamiento α deja de ser magn ética. Ar 2: Por enfriamiento α no magnética, se hace magnética. Ae2: temperatura de equilibrio para la transformación A 2. Ae3: Transformación de la solución sólida: transformación de equilibrio. Ac3: Pôr calentamiento toda la α se transforma en y forma una solución sólida. Ar 3: por enfriamiento queda sobresaturada y precipita α .
A4:
Trasformación de reversible a unos 1400 ºC. Ac4: Por calentamiento Ar 4: por enfriamiento Ae4: Transformación de equilibrio.
Acm: Línea de solubilidad del
Las transformaciones de importancia, para la laminación en caliente, así como también de importancia industrial son la A1 y A3. Los aceros al carbono, son de tipo perlítico. Poe enfriamiento normal en aire, éstos aceros tienden a formar perlita y la estructura es una mezcla ferrita – perlita ó perlita – cementita. Es importante considerar la solidificación primaria de los lingotes (durante la fabricación del acero). La solidificación de los lingotes influye en la obtención de una determinada estructura, siendo importante además los factores como: composición química, temperatura de las lingoteras, forma de las lingoteras, tipo de colada, etc. Considerando ello se puede decir que en la parte externa se tiene una capa gruesa de cristales finos (enfriamiento rápido), enseguida se encuentra la zona de cristales alargados; es importante controlar esas variables para obtener un tamaño de grano homogéneo.
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El laminado en caliente se realiza a una temperatura superior al de la recristalización, para los aceros al carbono se puede considerar la relación:
TL (temperatura de laminado) = 0.8( Tf ); donde Tf = temperatura de fusión del metal. Por ejemplo para el acero de bajo carbono la temperatura del laminado la temperatura del laminado en caliente, no debe ser inferior a los siguientes valores: TL = 0,8(273 + 1530) = 1442 ºK = 1169 ºC.
En la figura 1.11, se muestra un esquema de la distribución de lingotes dentro del horno de foso que permite un calentamiento homogéneo de los lingotes.
c) relación aire – combustible.- La combustión perfecta, es cuando la cantidad de oxígeno que contiene el aire es suficiente para la combustión del combustible, transformando los elementos que lo componen a CO 2 y H 2O sin dejar remanentes CO ni H2.
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Atmósfera Oxidante.- Es cuando a la combustión anterior (combustión perfecta) se le ha agregado un exceso de aire; pero para la misma cantidad de combustible, resultando como consecuencia un aumento del porcentaje ( % ) de CO2 y O2. Atmósfera reductora.- Es cuando a la combustión anterior (combustión perfecta) se reduce la cantidad de aire para la misma cantidad de combustible, resultando como consecuencia un aumento en el porcentaje ( % ) de CO2 aucencia de O2 y un incremento de CO y H2. d) La oxidación.- El calentamiento en el horno debe ser ligeramente oxidante, para conseguir que la mayor parte de la cascarilla esté formado por los defectos superficiales y permitir un correcto descascarillado. e) Velocidad de calentamiento del metal.- la calidad del laminado de acabado, depende de la duración total de calentamiento del metal en el horno y la velocidad de calentamiento. La distribución del calor del lingote durante el calentamiento debe ser uniforme; si se prolonga demasiado el calentamiento dentro del horno a temperaturas mayores a 800 ºC, se forma cascarilla y se descarbura el acero. Al calentarse el acero a velocidades muy aceleradas se crean grietas los cuales provocan fallas al laminarse. 1.1.2 Características del material durante y después del laminado.a) Resistencia a la deformación.- los metales ofrecen resistencia a ser deformados mecánicamente, ésta resistencia está en función de su grado de ductilidad, el mismo que dará el número de pasos para la reducción respectiva. b) Limitaciones de la reducción.- cada paso de reducción es un costo, porque requiere tiempo y potencia, el considerar una reducción muy alta dificulta la entrada del metal hacia los rodillos de laminación y trae problemas en el producto laminado. A mayor reducción se produce: Mayor tensión y desgaste en los rodillos. Mayor potencia. Mayor cantidad de grietas. Mayor o excesivo ensanchamiento.
c) Ensanchamiento.- al diseñar el proceso se debe tener en cuenta qué porción de la deformación se alargará y qué porción se ensanchará; una mala estimación produce falta o exceso de material. d) Disposición de los cilindros de laminación.- se debe tener en cuenta el número de pasos, potencia del equipo de laminación, si son horizontales, verticales o mixtos; asimismo sus mecanismos de ajuste y demás componentes. f) Heterogeneidad química.- la composición química del lingote, no es la misma en toda la masa del lingote; porque en el curso de la solidificación se produce acumulación de algunos elementos en determinadas zonas, es decir: 16
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El porcentaje % de carbono, es mayor en el centro y parte superior del lingote. Hay más porcentaje % de silicio (Si) y mayor porcentaje % de azufre (S) en el centro del lingote que en la parte superficial. El porcentaje del manganeso varía poco En los aceros calmados la composición es más uniforme que en los aceros efervescente.
g) Factores estructurales.- en el acero tenemos las estructuras CC y CCC. La estructura CC tiene 12 planos, cada plano con 4 direcciones 12x4 = 48 sistemas de deslizamiento, por lo tanto el hierro alfa tiene mayores posibilidades (idealmente) de deformación por poseer mayor número de sistemas de deslizamiento (48 sistemas) en comparación de la estructura CCC que tiene 4 planos y cada plano con tres direcciones 4x3 = 12 sistemas de deslizamiento; pero la estructura CC es fuertemente influenciada por las impurezas ( composición química); por consiguiente en la práctica el hierro de estructura CCC presenta mejores características de deformabilidad. h) Temperatura del metal al finalizar el laminado.- En la operación del laminado, el metal pierde calor y disminuye su temperatura de trabajo. Además en los trenes laminadores de flejes, de perfiles finos y de alambre, el extremo delantero de la tira se lamina a temperatura más elevada, y el extremo posterior a temperatura más baja; ese principio debe tenerse en cuenta para elegir la temperatura de laminado en todo el proceso. La temperatura del metal en la última pasada y después del laminado influye notablemente en las propiedades mecánicas del laminado de acabado. El laminado del acero termina a temperaturas cercanas a la temperatura del punto superior crítico Ac3 ( más de 900 a 950 ºC); a ésta temperatura en la última pasada los granos de metal resultan pequeños, lo que determina una elevada plasticidad del acero y las propiedades requeridas de resistencia. La temperatura al final de la laminación también influyen en las dimensiones del laminado de acabado. i) Enfriamiento del acero después del laminado.- En dependencia de las exigencias y la composición química del acero se emplean enfriamientos rápidos o lentos después del laminado. Por ejemplo en un acero para herramientas se enfrían en agua. Con un enfriamiento lento en la estructura de los aceros se crea la red de carburo, lo que no es admitido por las especificaciones técnicas. La mayoría de los aceros aleados no admiten enfriamientos rápidos de lo contrario se crean grietas superficiales.
1.3
EQUIPO PRINCIPAL Y AUXILIAR DE LOS TRENES DE LAMINACION.
Tren de laminación. El tren de laminación es el conjunto de equipos principal y auxiliar, destinados para la deformación plástica de metales o aleaciones. 17
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1.3.1
Trenes de laminación
Tren de laminación, es el conjunto de equipos principal y auxiliar, destinados a la deformación plástica de los metales y aleaciones; como: cajas de laminación, motores de accionamiento de los cilindros, caminos de rodillos comandados para entrada y salida del material, cizallas, escarpadoras, etc. La anchura útil de trabajo de los cilindros de laminación se denomina “tabla”. Figura 1.12. Hay cajas dispuestas unas a continuación de otras, con separación tal que el perfil que se está laminando se encuentra simultáneamente bajo la acción de dos o más de ellas. En cada pasada, al disminuir la sección aumenta la longitud y, por consiguiente, cada caja debe absorber una longitud mayor que la anterior. Para compensar esta circunstancia, la velocidad de giro de los cilindros va aumentando proporcionalmente en las sucesivas cajas. En la figura 1.12; se muestra un esquema de un tren de laminación, para trabajo en caliente.
1.3.2 Clasificación de los trenes de laminación por su función.- La clasificación según su función se presenta en la tabla 1-1 esta clasificación de los trenes de laminación por su función, se emplea frecuentemente para definir el tren de laminación que dependen de la sección transversal del metal que va a ser laminado. Los trenes de laminación de perfiles se definen por el diámetro de los cilindros de trabajo. Los trenes de laminación de productos planos por la longitud de la tabla de los cilindros. Y la dimensión de un tren de laminación de tubos está determinado por el diámetro exterior de los tubos que producen.
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1.3.2.1 Características básicas de un laminador. El equipo básico de un laminador se muestra en la Figura 1.13 y consta de las partes siguientes:
1.
Caja de cilindros ; ésta incluye:
•
Cilindros entre los que tiene lugar la reducción del metal. Cojinetes de los cilindros. Mecanismos de ajuste (calibrador) que modifica la distancia entre los cilindros. Las guías que dirigen el material a la entrada y a la salida de los cilindros. Dos castilletes verticales en cuyas ventanas se colocan los cojinetes de los cilindros. Las zapatas o placas bases en forma de dos viguetas sobre las que se fijan los castilletes. Las zapatas van montadas fijamente sobre las cimentaciones.
• • • • •
2. Los motores.- Necesarios para la rotación de los cilindros, son de corriente alterna
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cuando la velocidad de laminación no tiene que ser regulada, porque no es para no alterar las características del metal y generalmente esto se considera en el último paso de laminado. La mayoría de los laminadores tienen motores con potencias que
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comprenden de: 200, 2000, y hasta 10 000 HP.
3.
Mecanismos de transmisión.- estos mecanismos dan el accionamiento de transmisión del motor a los cilindros de laminación; dependiendo del laminador, consisten en: caja de pìñones, engranajes de reducción, acoplamienyo y alargaderas, como puede verse en la figura 1.13.
1.3.2.2
Disposición de los cilindros en las cajas.- La disposición de los cilindros de laminación en las cajas, depende de la función del tren de laminación y de la producción necesaria. Existen las siguientes clases: • Con cilindros horizontales. • Con cilindros verticales. • Con cilindros horizontales y verticales. • Con cilindros inclinados. • Diversas clases de cajas.
A.- Con cilindros horizontales.- Son los más utilizados y los principales se muestran en la Figura 1.14; Cajas d úo.- Se compone de dos cilindros horizontales dispuestos uno sobre otro y son los más empleados. Fig. 1.14.1. Usos: • Son laminadores reversibles para laminar perfiles grandes ( blooms) vigas, caxTÜes y chapas gruesas. • Trenes de gran producción para laminar semiproductos y secciones. • Laminadores de bandas (método antiguo). • Laminadores de reducción en frío para bandas estrechas y anchas.
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Ca ja s t río .- Constan de 3 cilindros horizontales dispuestos uno encima de otro. En estas cajas
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el material es laminado en ambos sentidos sin necesidad de invertir la marcha. ( éstos han comenzado a ser desplazados por trenes dúos). Usos: • Para laminar vigas, carriles, semiproductos, lingotes, y otras formas . • Para laminar perfiles en pequeños tonelajes. Fig. 1.14.2. Cajas do ble d úo.- Se componen de 4 cilindros dispuestos en parejas en dos planos
verticales. Fig. 1.14.4. Usos: • Para laminación de perfiles de alta calidad ( casi ya no se usan). Tienen cilindros de 300 a 400 mm de diámetro. Cajas cuarto.- Se componen de 4 cilindros horizontales, pero dispuestos casi en el
mismo plano vertical; la laminación tiene lugar solo entre los cilindros del centro que se llaman cilindros de trabajo y su diámetro es menor que los cilindros superior e inferior ( éstos últimos son cilindros de apoyo). Fig. 1.14.5. Usos: Para laminación en caliente y en frío de productos planos, chapas, bandas anchas y estrechas.
Trenes con cajas sextuples.- Se componen de 2 cilindros de trabajo y 4 de apoyo (casi ya no se usan, en su lugar se usan las cajas cuarto). Fig. 1.14.6. Usos: Para laminar bandas estrechas y anchas. Trenes con cajas de cilindros múltiples.- Tienen de 12 a 20 cilindros y pueden er de diferentes diámetro. Figura. 1.14.7 y Figura 1.14.8. Usos: • Para la laminación en frío de bandas delgadas y hojas, con gran ventaja respecto a los laminadores cuartos y sextuples para la laminación en frío de bandas de acero delgados de 0.02 mm - 0.2 mm de espesor y de 200 - 1000 mm de ancho. Trenes planetarios.- Poseen 2 cilindros de apoyo accionados y 2 sistemas de cilindros
de trabajo que se mueven al rededor de los cilindros de apoyo, van encerrados en caminos de rodadura y se conectan uno con otro por engranajes. Fig. 1.14.11. Se usan para laminación en caliente de bandas estrechas y anchas con glandes reducciones de hasta 90% -95%.
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1.2.2.3.
Disposición de las cajas de laminación en los diversos trenes de laminación.Según sea la función de los trenes de laminación las cajas de laminación pueden variar por: El número de pasadas entre los cilindros que se necesitan al laminar diversos productos. La cantidad de producción que se necesite. Los trenes de laminación pueden tener una o varias cajas. Se muestran en la Figura 1.16. Se describe a continuación:
a. Con una sola caja.- Constan de una sola caja, ( motor, reductor, caja de pifiones y
caja de cilindros) son los más simples; permite aumentar el número de revoluciones del motor y volante en la velocidad de laminación. Fig. 1.16.a. Usos: • • •
Trenes de laminación dúos no reversibles para laminar tubos, laminación enfrío de chapas y bandas. Trenes dúos reversibles, para laminación de metales de gran tamaño y peso; Ejm. Los frenes de laminación blooming. Cuartos o con cilindros múltiples; para la laminación en frío de bandas estrechas y anchas, laminación en caliente de bandas anchas.
b. Con cajas m últiplas dis pues tas uno aliado d e otro.- Las cajas están ubicadas uno
al lado de otro, las dificultades son la ausencia del control de la velocidad; el número de cajas del equipo depende de la producción y generalmente son de 2 a 5 cajas y en algunos casos de 9 cajas como es el laminador en frío de redondos. Contienen 1 motor, 1 reductor, y caja de piñones y de 2 a 5 cajas de laminación. Figura. 1.16.b. c. Trenes con c ajas dispu estas un a a continu ación de otra en tánd em.
Con más frecuencia se prefiere colocar las cajas de laminación en varias líneas como se ve en la Figura 1.16.c. d. Escalonados co n trenes sucesivos d e cajas una junto a otra.- Se disponen las
cajas en varias líneas una junto a otra Figura 1.16.d.
e. C o n t in u o s c o n a c c i o n am i e n t o a g r u p a d o. - Es la modernización de los anteriores (d)
para conseguir una mayor producción eliminando la inversión de la dirección y conduciendo a lo que se llama tren continuo. En éste laminador coincide el número de pasarlas con el de cajas que se disponen una detras de otra. Los trenees conínuos pueden tener accionamiento en línea o individual. Figura 1.16.e. Todas las cajas son accionadas por un motor a través de un reductor común.
f. Trenes continuo s con accionamiento individu al.- Aquí cada caja tiene su propio
accionamiento independiente y pueden controlarse sus revoluciones. Estos trenes son más costosos pero su uso es cada vez mayor ya que el ajuste es en cada caja en forma independiente. Figura 1.16.f Su gran dificultad es su sincronización y puesta a punto. 24
Conformado de Metales II
g. Trenes semicontinuo s - Se utilizan par'a laminar perfiles complicados ( ángulos,
ues, etc. ). Aquí la disposición continua se reserva para las cajas primarias y de desbaste, pero las cajas intermedias y acabadoras se disponen uno junto a otra en una línea o más. Las primeras pasadas se efectúan en el grupo de cajas continuas y las últimas en cajas individuales donde es necesario el ajuste frecuente de los cilindros a causa del desajuste de los canales. Figura 1.16.g. h.
Dispo sición en zig zag.- Se utiliza bastante actualmente para la laminación de
perfiles medianos y pasados. Figura 1.16.h. i.
En form a de tablero de d amas.- La diferencia con el anterior es que sus últimas
cajas se disponen al tresbolillo para economizar espacio. Figura 1.16.i.
25
Conformado de Metales II
1.3- Principales tipos de maquinarias auxiliares de trenes de Se incluye en la tabla 1-2.
26
laminación.
Conformado de Metales II
27
Conformado de Metales II
28
Conformado de Metales II
1.5
Fórmulas matemáticas.
1. Deformación natural o logarítmica.
Donde: ε= deformación natural o logarítmica.
hi y hf = espesor inicial y final.
√
2. Carga considerando el 20% de rozamiento.
Donde: (P/W) = carga de los cilindros por unidad de anchura de la lámina. = diferencia de disminución de espesor de la lámina. = tensión de fluencia media en deformación plana. R = radio de los cilindros de deformación. 1.2 = considerando más el 20% de rozamiento µ (sugerido por Orowwan). 3. Presión de los cilindros de laminación en la entrada.
̿
;
̅
presiones de los cilindros en los lados de entrada y salida
respectivamente de punto neutro. S = tensión de influencia de deformación plana
s=1,155Y
.
H = función de la solución de BLAND Y FORD
= ángulo de contacto
µ = coeficiente de fricción.
4. Presión de los cilindros de laminación en la salida del punto néutro.
̅
5. Coeficiente de correlación de Bland y Ford.
29
Conformado de Metales II
6. Coeficiente Hi
.
=angulo de agarre.
H; =Coeficiente. 7. Radio corregido (considera la deformación elástica):
[ ]
8. valor de (h) 8.a 8.b.-
R’
Radio corregido
:
9. Angulo néutro
∫ ∫ ∫ =
.Tag
9.1:
=angulo neutro.
10. carga o fuerza de los cilindros. =
= R’
1.6.- FUERZA Y PAR MOTOR EL LAMINACION EN FRIO PROBLEMA Como se vio en el punto 1.1.3, la ecuación de laminación es más compleja puesto que existen dos aspectos como el ángulos de la herramienta y el rozamiento varian continuamente con la posición de la zona deformada. Consideramos el siguiente problema:
Ejemplo 1 Calcular la carga necesaria para reducir por laminación una chapa de cobre recocido de 250 mm de ancho, desde un espesor de 2,5 mm hasta 2,0 mm, en una pasada y con cilindros de acero de 350 mm de diámetro. Desechar cualquier tensión de los laminadores a la entrada y salida; siendo . = 17. 5 kg/mm 2, el coeficiente de rozamiento es de 0.05 y el coeficiente de rozamiento en los cojinetes es de 0.005. Utilizar la tabla 1-3.
̿
30
Conformado de Metales II
Solución Datos: D = D/2 (d=diámetro de los cojinetes).\ R = 350/2 = 175 mm µn= 0,005(coeficiente de fricción en los cojinetes). = 17. 5 kg/mm 2. hi = 2.5 mm. hf = 2.0 mm. W = 250 mm.
̿
TABLA 1-3
Ensayo de compresión con deformación plana del cobre electrolítico de alta conductividad. (Manual) N° Carga.(P) Espesor (h) Ancho(w) S ε Kg. (mm) (mm) Kg/mm2 1 0 5,03 38,61 0 0 2 2032 4,80 38,61 10,06 0,0468 3 3048 4,62 38,61 15,09 0,0850 4 4064 4,47 38,66 20,09 0,1180 5 5080 4,19 38,86 25,00 0,1827 6 6056 3,84 38,86 29,99 0,2699 7 6604 3,63 39,11 32,29 0,3262 8 7112 3,40 39,11 34,77 0,3916 9 7620 3,20 39,37 37,00 0,4523 10 8128 3,02 39,62 39,22 0,5102 11 8636 2,84 39,88 41,41 0,5716 12 9144 2,59 40,13 43,57 0,6638
=
S=
ε=ln
Nota: a) MAQUINA: espesor de plataformas. b =5,23 plataformas bien lubricadas y es un valor constante. b) PROBETA: espesor (h) = 5,03 Ancho (w) = 38,61
Cálculos previos: Con los datos de la tabla 1-3 como carga (P) y espesor (h) y las fórmulas; calculamos la tensión de fluencia (S) y la deformación real (ε) en cada punto y completamos la misma tabla. El valor de b = 5.23 es constante:
1.2.-
=
=
Ѕ2
=0
=
=
10.06; 31
In
=0
= 0,0468
Conformado de Metales II
-
… sucesivamente completamos los 12 puntos. O también utilizamos
Excel para mayor rapidez.
El cálculo de la carga: sustituyendo en la ecuación (Ecua. 2) siguiente hallamos la carga necesaria para la laminación:
Ejemplo 2: En una planta de laminado plano en frio, se reduce de espesor una chapa de cobre recocido, desde un espesor inicial de 2,5 mm hasta 2,0 mm de espesor final, su ancho es de 250 mm, el laminado es en un paso y con cilindros de acero de 350 mm de diámetro. Tomar en cuenta el achatamiento de los cilindros de laminación. La laminadora trabaja con un 80 % de rendimiento, si el coeficiente de rozamiento es de 0.05, el coeficiente de rozamiento en los cojinetes es de 0.005, y el brazo de palanca tiene el valor . Hallar: 2.1 La carga de laminación. 2.2 El ángulo de agarre en la entrada. 2.3 El ángulo néutro. 2.4 Resumir en un cuadro los cálculos de los puntos 2.3 y 2.4,
Solución: Es el mismo problema del ejercicio 1 entonces utilizamos como dato la misma tabla 1-3, con la diferencia que en este ejercicio pide considerar el achatamiento de los cilindros de laminación, además pide hallar la potencia en HP; no nos da el valor de (tensión de fluencia media plana):
Datos D = 350 mm diámetro de los cilindros de laminación. (D/2 = (d), diámetro de los cojinetes). R = 350/2 = 175 mm (radio) µn= 0,005(coeficiente de fricción en los cojinetes). η = 0.8 (factores que representan los rendimientos de los cilindros en laminación). = ?.( tensión de fluencia media plana) hi = 2.5 mm. hf = 2.0 mm. W = 250 mm. ( ancho)
̅ P = ? (carga de laminación) µ = 0.05 coeficiente de rozamiento
µη = 0.005 coeficiente de rozamiento en los cojinetes.
32
Conformado de Metales II
2.1 La carga de laminación. Lo calculamos con la ecuación: , el único dato que nos falta es la tensión de fluencia media plana, por lo que hallamos ese dato:
√
̅
=?
()
A . Cálculo de la A .1 Cálculo de la deformación natural:
A.2 Cálculo de Y ó σ (tensión) para ε = 0.2231, con ayuda de la Tabla 1 -3, interpolamos:
A.3 Cálculo del área. Con los datos de la tabla 1-3, opcionalmente graficamos la deformación – tensión, luego trazando áreas pequeñas en forma de trapecio y utilizando la relación siguiente:
=
=………………………0.235
=
=………………0.468 “
=
=………………0.579 “
=
=……………….1.456 “
=
=……………….1.057 “
A0 = es el área parcial indicada con la línea roja en el esquema de la
33
Conformado de Metales II
SUMA DE ÁREAS: que se muestra en el problema: =
=0,235+0.480+0.579+1.456+1.057
=3.807 . A.4 Reemplazando en la ecuación siguiente:
̅
Teniendo ya , calculamos la carga de laminación: :
2.2 El ángulo de agarre en la entrada. Para hacer un consolidado y resumen de la pregunta 2.4, seguimos los siguientes pasos: 1ro. Cálculo del ángulo de agarre en la entrada del punto néutro. 2do. Cálculo del ángulo néutro. 3ro. Cálculo del ángulo de agarre en la salida.
,
Cálculo del ángulo de agarre ecuación 8.b siguiente:
en la entrada
del punto néutro, se calcula con la
pero antes al no tener
radio con achatamiento
de los cilindros de laminación; éste lo calculamos con la ecuación siguiente:
Reemplazando en la ecuación 8.b: 34
Conformado de Metales II
( Rpta 2.2).
2.3 El ángulo néutro en el plano néutro
se ha calculado con la ecuación (9):
.Tag
=
Cálculos prévios:
(ecuac. 9)
2.3.1 Cálculo de Hi ecuación 6:
.
2.3.2 Cálculo de
Reemplazando en la ecuación 9:
Cálculo del ángulo de agarre
en la salida: en la salida el a’ngulo de agarre es cero
“O”, porque no hay reducción ni compresión.
Resumen; Se ha calculado: 1ro Angulo de agarre en la entrada, = 0.0519 rad. 2da Angulo néutro = 0.0120 rad. 3ra Angulo de agarre en la salida = 0.0000 Con éstos valores consolidamos la Tabla 1-4
αN
2.4 Resumir en un cuadro los cálculos de los puntos 2.3 y 2.4,
35
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Conformado de Metales II
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Conformado de Metales II
EL PROBLEMA 2, RESUELTO EN EXCEL: TABLA 1-5
Ensayo de compresión con deformación plana del cobre electrolítico de alta conductividad y cálculo en Excel de la ε – σ. (de laTabla 1-3) ε N° Carga.(P) Espesor (h) Ancho(w) S Kg. (mm) (mm) Kg/mm2 1 0 5,03 38,61 0 0 2 2032 4,80 38,61 10.1416791 0.04680407 3 3048 4,62 38,61 15.0943172 0.08502528 4 4064 4,47 38,66 20.0997271 0.11803158 5 5080 4,19 38,86 24.9953503 0.18271925 6 6056 3,84 38,86 29.7976065 0.26994762 7 6604 3,63 39,11 32.2862466 0.32618734 8 7112 3,40 39,11 34.769804 0.39164455 9 7620 3,20 39,37 37.0073398 0.45226917 10 8128 3,02 39,62 39.2254139 0.51016315 11 8636 2,84 39,88 41.4052866 0.57161593 12 9144 2,59 40,13 43.5677738 0.66376211
=
S=
38
ε=ln
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Tabla 1 -6 Datos para el problema de laminación en caliente obtenidos en un ensayo de compresión con deformación plana sobre acero suave con 0.15 % C Nº
Carga (P) Kg
Espesor (h) mm
Ancho (W) mm
E
S Kg/mm^2
1
0
5.16
37.34
0.0000
0.00
2
1016
5.16
37.34
0.0000
5.20
3
2032
5.16
37.34
0.0000
10.41
4
4166
5.11
37.34
0.0097
21.33
5
6096
5.05
37.34
0.0215
31.22
6
8230
4.9
37.59
0.0517
41.86
7
10160
4.52
37.59
0.1324
51.68
8
12192
3.99
37.84
0.2571
61.61
9
14326
3.17
38.1
0.4872
71.89
10
15240
2.74
38.1
0.6330
76.48
11
16154
2.29
38.35
0.8124
80.54
12
17272
1.8
38.61
1.0531
S=
ε=ln
85.53
Nota: a) MAQUINA: espesor de plataformas. b =5,23 plataformas bien lubricadas y es un valor ( constante). b) PROBETA: espesor (h) = 5,16 Ancho (w) = 37,34
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