Proceso de Laminacion

CARRERA INGENIERÍA INDUSTRIAL FACULTAD DE INGENIERIA

.

Unidad 3. Deformación volumétrica

3.1

Procesos de Laminación

3.1.1

Laminado Plano

3.1.1.1

Tren de Laminación

3.1.2

Análisis Laminado Plano

3.1.3

Laminacion de productos Planos en Caliente

3.1.4

Procesos De Laminación De Productos De Acero

3.1.4.1

Linea de laminacion en caliente

3.1.4.2

Laminación en Frio, productos Planos

3.1.5

Laminado de Forma

3.1.6

Otras Operaciones de Laminado.

3.1.7

Laminador de Tubos sin costura

Fecha de modificación: Septiembre -2014

Elaborado: Alfredo Gallardo M.

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3.1 Procesos de Laminación Es el proceso de conformado mecánico que consiste en modificar la sección transversal de un metal en la forma de barra, lingote, placa, alambre, o tira, etc., por el pase entre dos cilindros con generatriz rectilínea (laminación de productos planos) o conteniendo canales tallados de forma más o menos compleja (laminación de productos no planos, como por ejemplo perfiles en L), siendo que la distancia entre los dos cilindros debe ser menor que el espesor inicial de la pieza metálica CARACTERISTICAS Ø Se parte del material en estado sólido Ø El material se comprime o estira hasta adquirir la forma deseada Ø Se puede efectuarse en ambiente caliente, tibio y frío. Ø Es el proceso de transformación mecánica de metales más utilizado, presenta alta productividad y un control dimensional del producto acabado que puede ser bastante preciso. Ø La reducción o desbaste inicial de los planchones, palanquillas o tochos es realizada normalmente por laminación en caliente para transformar el producto en planchas, barras, tubos, rieles o perfiles estructurales. Ø La laminación en frío que ocurre después de la laminación de bandas en caliente produce láminas en frío de excelente acabado superficial, con buenas propiedades mecánicas y control dimensional del producto final bastante riguroso.

3.1.1 Laminado plano Al proceso de reducir el espesor de una plancha para producir un producto más delgado y largo, pero sólo ligeramente más ancho comúnmente se denomina laminado plano. Es el proceso primario más importante de deformación.

3.1.1.1 Tren de Laminación Ø

Ø

Ø

Un laminador consiste básicamente de cilindros (o rodillos opuestos) con diámetros que van de 600 a 1400 mm, una carcasa para fijar los cilindros y sus partes y un motor para proveer la potencia a los cilindros y controlar la velocidad de rotación. Las fuerzas envueltas en la laminación pueden fácilmente alcanzar millares de toneladas, por lo tanto es necesaria una construcción bastante rígida, además de motores muy potentes para dar la potencia necesaria. El costo, de un laminador es del orden de algunos millones de dólares y consume muchas horas de proyecto.

FIG. 3.1.1 bastidor de lam.

El proceso de laminado Dos rodillos cilíndricos impulsados (rodillos de trabajo) reducen la pieza plana de trabajo a un calibre más delgado. Los rodillos se soportan en bastidores y su separación se puede ajustar por medios mecánicos o hidráulicos (Fig. 3.1.1). La deflexión elástica de los rodillos crearía problemas en el calibre y en la forma; por lo cual se incorporan dos rodillos de soporte (cilindro de apoyo) al bastidor de tren de laminación, en Fig.3.1.1, se aprecia un bastidor de cuatro cilindros. (Fig. 3.1.1), existen bastidores con un número mayor de cilindros de apoyos, como se ve en la Fig. 3.1.2, llamado laminador de Sendzimir. . Fecha de modificación: Septiembre -2014


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FIG.3.1.2

En el proceso de laminación se realizan en reducciones sucesivas Laminador Cuarto reversible, (Fig.3.1.3a) este laminador realiza las primeras y grandes reducciones de la materia prima, el laminador tiene un bastidor, se invierte el sentido entre pasadas y en cada pasado se va reduciendo el espesor de la banda. El producto son planchas de longitud apreciable. Laminador continuo de un bastidor, (Fig.3.1.3b) la banda se reduce su espesor, la banda se hace muy larga y se enrolla en tambores de acumulación bajo tensión y el producto de llama bobina. Para mayor productividad, se colocan varios bastidores en línea (Tren de l aminación continuo o tándem) Fig. 3.1.3c, Como se preserva la invariabilidad del volumen, el producto se acelera de bastidor a bastidor en proporciona la reducción de área. El producto terminado debe tener un espesor uniforme en longitud y ancho, una forma plana, un acabado superficial controlado y uniforme, y propiedades mecánicas reproducibles.

Tipos de laminadores Fig.3.1.3a

Lam, Reversible

Fig. 3.1.3 b Laminador continúo de un bastidor



Fig.3.1.3c Tren de Laminación o Tándem

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Los cilindros de laminación son de acero fundido o forjado, o de hierro fundido, se componen de tres partes, Fig. 3.1.4: la mesa, donde se realiza la laminación que puede ser lisa o con canales; los cuellos, donde se encajan los bujes; las horquillas de accionamiento FIG.3.1.4

3.1.2 ANALISIS LAMINADO PLANO FIG.3.15a Se puede apreciar el efecto de laminación entre cilindro y la banda, los espesores, las velocidades de trabajo, el ángulo de contacto con los cilindros Fig.3.15b, se muestra las zonas de constató entre el cilindro y la banda FIG.3.1.5b FIG.3.1.5a

Reducción de espesor, Draft : d = t o - t f Reducción = d / t o Draft max.: D max = Rµ 2 La fuerza neta de trabajo debe ser mayor que la fuerza de roce en la entrada Valores típicos de µ µ = 0,1 laminado en Frío µ = 0,2 tibia µ = 0,4 caliente



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El esfuerzo real en laminación, se basa espesores

e

æ t ö = lnç o ÷ ç t f ÷ è ø

Longitud de contacto de los cilindros

Esfuerzo de fluencia promedio

a los

L = R·(t o - t f

F = Y f ·w· L

Fuerza de rodillos

en la deformación unitaria en base

W : ancho de banda n

· Y f = K 1+ n e

Potencia = 2·p ·n· F ·L / 396.000 Hp F :

en Lb;

n: r.p.m

L : pulgadas

Potencia = 2·p ·n·F ·L / 60.000 KW F : en Newton

n: r.p.m

L : metros

Una lamina de acero de bajo %C. de un espesor de 1/8” , ancho 24” . Se lamina en un laminador que tiene el cilindro de trabajo de un diámetro de 32” el material se debe reducir a 3/32 en un paso a una velocidad de 50 rpm El acero SAE 1008, tiene un valor de K= 600 Mpa y n=0,25 y el coeficiente de roce entre el rodillo y la lamina es de 0,12. Determinar si la fricción es suficiente para realizar la operación de laminado. Determinar la fuerza y potencia del laminador Condición de laminación: Draft máx .: Dmax = Rµ 2 = 16·(0,12) 2 = 0,2304 Reducción de espesor requerida : Draft : d = to - tf Draft d=1/8 – 3/32 = 0,03125 Como la reducción máxima sobre pasa a la reducción requerida, por lo cual la lamina se puede laminar ”

”

Fuerza de laminado Deformación

e

F = Y f ·w· L

= ln( ee ) = ln( 31//328 ) = 0,28768 f

Esfuerzo de fluencia promedio

Longitud de contacto

Fuerza de laminado

Y f =

n

K ·e

1+ n

=

0 ,25

600·0 ,28768 1 + 0 ,25

= 351 ,53 MPa

L = R·( t o - t f ) = 16 ·0 ,03125 = 0 ,70711" 17,96 mm F = Y f ·w· L = 351 ,53·609 ,60 × 17 ,96 = 3.848 .696 ,67 N

Potencia = 2·p · n· F · L / 396 .000 Hp = 2· ·50·3.848 .696 ,67 ·0 ,0179 / 60.000 =

Potencia = 360,71 KW



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De acuerdo a este ejemplo, se puede observar que se necesitan grandes fuerza y potencia para la minar este lamina de acero y de acuerdo ha las formulas utilizadas, una forma de reducir la fuerza y la potencia es: laminar en caliente para reducir el coeficiente de resistencia (K) y el coeficiente de endurecimiento (n) por deformación Reducir el draft de laminación, es decir efectuar varias pasadas para obtener el espesor deseado. Utilizar diámetros menores del laminador de trabajo del l aminador Usar menos revoluciones del laminador con el fin de bajar la potencia en la laminación Aplicar tensiones a la lamina •

•

• • •

Ejercicio para ver la diferencia de potencia entre laminado en caliente y frio (solo indicativo) del ejemplo anterior, se estimara que el laminado se realiza en caliente 1.000°C, para un acero SAE1008, de la Tabla 3.0.4 se tiene C=100MPa; m=0,1 Se sabe: W=24” =609,60 mm D=32” =812,8 mm L=17,96 mm=0,01796m

Deformación

e

Longitud de contacto

Deformación promedio

Fuerza de laminado

1 / 8 ö = 0,28768 = ln( e ) = lnæ ç ÷ e f è 3 / 32 ø

L = R·( t o - t f ) = 16·0,03125 = 0,70711" o 17,96mm

· e

=

·

u

L

e

e

=

p

× D × n

× e

L × 60

· e

=

p

× 812 ,8 × 50

× 0 ,28768 = 34 ,08

17 ,96 × 60

F = Y f ·w· L = 142 ,31 × 609 ,6 × 17 ,96 = 1.558 .806 ,08 N Potencia = 2·p · n· F · L / 60.000 KW

Potencia = 2·p · 50· 1. 558 . 806 ,08 · 0 ,01796 / 60.000 = 146 ,51 KW

3.1.3 Laminación De Productos Planos En Caliente

FIG.3.1.5

Un efecto del trabajo en caliente con la operación de laminado, es el refinamiento del grano causado por recristalización, como se ve en Fig. 3.1.5. La estructura gruesa es definitivamente despedazada y alargada por la acción de laminado. Debido a la alta temperatura, la recristalización aparece inmediatamente y comienzan a formarse Fecha de modificación: Septiembre -2014


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Pequeños granos. Estos granos crecen rápidamente hasta que la recristalización es completa. El crecimiento continúa a altas temperaturas, si además la elaboración no es mantenida, hasta que la temperatura baja del rango recristalino es alcanzada

3.1.4 Procesos de laminación de productos planos de acero Una vez que se obtiene el acero por colada continua de: palanquillas, planchón, entra en el proceso de laminación con el fin de obtener un producto final. Las palanquillas se utilizan para obtener: Vigas, ángulos, perfiles, barras, cabillas, pl etinas, alambres, alambrón, barras de diferentes secciones Los planchones se utilizan para obtener productos planos: v Laminados en caliente, donde se atienen las chapas gruesas, laminas estriadas y bobinas laminadas en caliente. v Laminado en frió, donde se obtiene una seria de productos, como ejemplo: Bobinas tajadas, láminas en calientes decapadas, bandas, bobinas de láminas, laminas de finas, bobinas láminas estañadas y cromadas.

3.1.4.1 Línea de Laminación en Caliente (Fig.3.1.6) Ø Horno de Recalentamiento . El planchón se caliente hasta la Ø Ø

temperatura de aproximadamente 1.300°C. Descamador Dúo .Saliendo del horno el planchón pasa por este laminador, con el fin de eliminar las escorias superficiales La Laminador Universal Cuarto Reversible (desbastador), La primera operación de la laminación ocurre en un laminador desbastador, que es usualmente un dúo reversible cuya distancia entre los rodillos puede ser variada durante la operación en este laminador el planchón sufre las mayores deformaciones reduciendo su espesor hasta un 1.000 %, es decir de un espesor original de 300mm se obtiene chapas gruesas de un espesor final superior a los 6mm Las chapas gruesas se pueden destinar: a la industria naval, fabricación de calderas, tubos soldados, tanques para almacenamiento y en la construcción en general. En caso contrario la plancha gruesa prosigue su trayecto así el tren de laminación en caliente



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En el laminado en caliente de planchones se obtienen planchas de espesor superior a 6mm y de ancho de 1,8 a 5,0metros ¨ La primera operación de laminación ocurre en un laminador desbastador, que es usualmente un dúo reversible cuya distancia entre los rodillos puede ser variada durante la operación. En la operación de desbaste se utiliza también laminadores universales, lo que permite una mejor terminación del producto. Los productos de esta etapa son planchas, bandas, barras rectangulares ¨ En el laminado en caliente de planchones se obtienen planchas de espesor superior a 6mm y de ancho de 1,8 a 5,0metros Ø

Tren de laminación en Caliente Las planchas obtenidas en el cuarto reversible prosiguen en el tren de laminación donde el material prosigue reduciéndose su espesor, obteniendo una banda de acero laminado en caliente con un espesor del orden de 2,8 mm. Esta banda se enrolla en la bobinadora donde se obtiene la bobina de laminación en caliente §

Fig.3.1.6, Esquema de un Línea de Laminación en Caliente

Los metales laminados en caliente están generalmente libres de esfuerzos residuales y sus propiedades son isotrópicas. Producto obtenido: Tolerancia amplia Superficie con oxido Rugosidad entre 500 a 1.000µ -



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Líneas de Corte y Tajado de bobinas en calientes , En estas líneas las bobinas de acero laminadas en calientes son tajadas adquiriendo el ancho requerido por lo cual se obtiene la bobinas o flejes, luego pueden ser cortadas para obtener laminas rectangulares, las cuales se aplican en la industria metalmecánica y de transformación: Construcción de chasis y plataformas de camiones y vehículos, tubos y perfiles soldados, etc. Si la bobina laminada en caliente no pasa por la Línea de Corte y Tajado en Caliente, Prosigue el proceso en laminación en Frío.

3.1.4.2 Laminación En Frío, Productos Planos ETAPAS DEL PROCESO DE LAMINACION EN FRIO DE PRODUCTOS PLANOS, ACERO •

• •

• • •

La laminación en frío es empleada para producir láminas y flejes con acabado superficial y con tolerancias dimensionales superiores a las comparadas con las láminas producidas por laminación en caliente. El endurecimiento resultante de la reducción en frío puede ser aprovechado para dar mayor resistencia al producto final. La materia prima para la producción de láminas de acero laminadas en frío son las bobinas en caliente ya decapadas. La laminación en frío de metales no ferrosos puede ser realizada a partir de tiras en caliente o, como en el caso de ciertas aleaciones de cobre, directamente de piezas fundidas. Para la laminación en frío del acero, aluminio y aleaciones de cobre se utilizan Trenes Laminadores Cuádruples de alta velocidad. Normalmente esos trenes de laminación son concebidos para tener tracción hacia adelante y hacia atrás. La laminación continua tiene alta capacidad de producción, lo que resulta en un costo de producción bajo.

•

Ø

Línea de Decapado continuo , En esta línea se elimina el óxido superficial formado durante el proceso de laminado en caliente y de enfriamiento y almacenamiento de la bobina en el medio ambiente. Esta línea usa un proceso de decapo una solución de ácido clorhídrico. Las bobinas decapadas se utilizan como materia prima para los laminadores Reductores (Tándem) y para venta directa para ser utilizada en la industria metalmecánica.



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Ø

Laminador en Frío Ø

En estas líneas las bobinas de acero laminadas en caliente son laminadas en frío por un proceso semi continuo tras haber pasado por las Líneas de Decapado Continuo. El producto es utilizado por la industria de transformación que requiere material de gran tenacidad y poco espesor. Este producto constituye también una etapa intermedia en la producción de acero laminado en frío, hojalata y hoja cromada. Para la laminación en Fig. 3.1.7 (Tándem) del acero, aluminio y aleaciones de cobre se utilizan Trenes Laminadores Cuádruples llamados Tándem de alta velocidad. Fig. 3.1.7

¨ ¨

· · · · · · ·

Normalmente esos trenes de laminación son concebidos para tener tracción hacia adelante hacia atrás En estas líneas las bobinas de acero laminadas en caliente son laminadas en frío por un proceso semi continuo tras haber pasado por las Líneas de Decapado Continuo. El producto es utilizado por la industria de transformación que requiere material de gran tenacidad y poco espesor. Este producto constituye también una etapa intermedia en la producción de acero laminado en frío, hojalata y hoja cromada. La laminación continua tiene alta capacidad de producción, lo que resulta en un costo de producción bajo. La reducción total alcanzada por laminación en frío generalmente varía de 50 a 90%. Rugosisda: 25 a 125 µ Distribución lo más uniforme posible en los diversos pases sin haber una caída acentuada con relación a la reducción máxima en cada pase. Normalmente, el porcentaje de reducción menor es hecho en el último pase para permitir un mejor control del aplanamiento, calibre y acabado superficial. Ese pase de acabado también resulta en una mejoría de la calidad superficial y control dimensional En las láminas de acero se obtienen espesor de 0,15mm para recipientes de alimentos y de bebidas (latas). El cobre se lamina hasta 0,04mm. La lamina de aluminio hasta un espesor de 8 milésimas de milímetros



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Ø Ø

Línea de limpieza electrolítica , Tiene por objetivo eliminar la emulsión de aceite y polvo utilizada en el proceso de Laminación en Frío. Batería de Hornos de Recocido Este es in proceso estático. la bobina laminada en frió es sometida a un tratamiento térmico cuyo objetivo es permitir la "recristalización" de los granos de acero que fueron deformados durante el proceso de reducción en frío.

Ø

Ø

Ø

Línea de Recocido Continuo. este es un proceso dinámico y cuyo producción está orientada a espesores fino (0,15 a 0,60 mm) destinadas a la producción de hojalata. En esta Línea las bobinas laminadas en frió son sometidas a un proceso de recristalización continua de los granos de acero que fueron deformados durante el proceso en frío. Laminadores de Temple. En el proceso de recocido, el material pierde características mecánicas. Este laminador produce una pequeña deformación en frío en la banda, por lo cual la lámina adquiere tenacidad. Líneas de Tajado y corte en frió .'. Permite tajar la banda para obtener bobinas o fleje con su ancho respectivo y luego pueden ser cortada para obtener laminas en frío.

PROCESO DE ESTAÑADO Ø Líneas de preparación de Bobinas . El objetó de estas Líneas es preparar las bobinas laminadas en frío y templadas, que van a entrar al proceso de Estañado Y Cromado Electrolítico, dándole el ancho programado y permitiendo la inspección de la calidad superficial de la banda. Ø

Ø

Líneas de Estañado y Cromado Electrolítico .

Estas instalaciones producen la Hojalata, revistiendo la superficie de la bobina laminadas en frío con estaño y cromo. Estos productos se utilizan en la fabricación de de envases para alimentos, bebidas, aerosoles, tapas de botellas y filtros. Líneas de Corte de Hojalata . En estas líneas se cortan en laminadas las bobinas que provienen del proceso anterior en Paquetes hasta 2 toneladas.



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3.1.5 LAMINADO DE FORMA Barras de sección circular y hexagonal y perfiles estructurales como: vigas en I, perfiles y rieles son producidos en gran cantidad por laminación en caliente con cilindros ranurados, conforme mostrado abajo. La laminación de barras y perfiles difiere de la laminación de planos, pues la sección transversal del metal es reducida en dos direcciones. Entretanto, en cada pase el metal es normalmente comprimido solamente en una dirección. En el pase subsiguiente el material es girado de 90o. •

•

3.1.6 Otras Operaciones de laminación · Laminado forjado, forjado de rodillos Se conforma la dimensión transversal de una barra pasándola por un par de rodillos con ranuras conformadas. (Reducir la sección transversal de una pieza de trabajo cilíndrica o cuadrada)

·

Laminado inclinado Se usa normalmente para fabricar cojinetes de bolas. Se alimenta alambre o barra redonda al hueco entre los rodillos y se forman piezas más o menos esféricas, en forma continua, por la acción de los rodillos giratorios forjado, se conforma la dimensión transversal de una barra pasándola por un par de rodillos con ranuras conformadas

·

Laminador de anillos El material inicial para el laminado de rodillos es una palanquilla perforada. Después de hacer un agujero por medio de cualquier técnica adecuada, el anillo de pared gruesa se lamina donde diámetro es aumentado gradualmente mientras el espesor del anillo van decreciendo. .Ventajas: Ahorro de material ü Orientación de granos ü Endurecimiento en frió



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·

Laminador de rosca Es un proceso de formado en frió en el cual se forman roscas rectas o cónicas en varillas redondas, genera roscas sin ninguna pérdida de material y con buena resilencia, el acabado superficial es muy terso

§ § § § §

Alta producción (8 seg por pieza pequeñas) Ahorro de material Orientación del material Superficie lisa Mayor resistencia a la fatiga por deformación de compresión

3.1.7 Laminador de tubos sin costura 3.1.7.1 Perforado rotativo de tubo (proceso Mannesman) El proceso se basa en el principio de que cuando una barra redonda se somete a fuerzas radiales de compresión se desarrollan esfuerzos de tensión en su centro (ver Fig. 3.1.8) y cuando el proceso es continua a estos esfuerzos cíclicos de compresión, la barra empieza a desarrollar una pequeña cavidad en el centro que comienza a crecer. El perforado rotativo de tubo se realiza mediante un arreglo de rodillos giratorios (Fig.13.1.8b)que realizan la compresión del tocho y sus ejes tienen una inclinación de 6º con respecto al eje del tocho para jalar el tocho redondo a través de por medio del componente axial del movimiento giratorio. Entre estos rodillos se fija un mandril que ayuda en el perforado y controla el tamaño del agujero cuando el tocho es forzado sobre él



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FIG.3.1.8

FIG.3.1.8.b

Una vez obtenido el tubo base, luego entra al tren de terminación y calibrado, lugar donde se obtiene un tubo largos con su espesor y diámetro Una sola operación se obtiene tubos hasta un diámetro de 150mm de diámetro, largo de 12 metros, en un tiempo de 10 a 30 ser.

3.1.8.2 Laminador Continuo de Tubos El laminador Continuo a Mandril retenido (MPM), es uno de los procesos más moderno de laminación de tubos de acero sin costura. Procesos: El cilindro de acero de 12 metros de largo proveniente de la colada continua de cilindros se somete a los pasos siguientes: Sierra de corte: corta la barra de 12 metros en tochos , de acuerdo al peso que se necesita del tocho para fabricar el tubo semi elaborado Horno de solera giratoria: calienta los tochos hasta una temperatura de 1.280°C, con el fin que el tocho pueda ser perforado por el perforador Perforador: perfora el tocho para que pueda ser laminado por el MPMLaminador de mandril Retenido tipo MPM-SL 9 5/8” : Lamina el tocho perforado para obtener un tubo primario de diámetro 184, 252 y 284 mm, espesor de 9 a 15 mm, largo de 29 metros. Sierra de corte de extremos: corta los extremos del tubo primario obtenido en el laminador MPM, el cual viene con los extremos deformados Horno de recalentamiento de tubos: recalienta los tubos primarios, hasta una temperatura entre 750 a 950°CDescamador de tubos: elimina las escamas de óxidos que se producen en el tubo después de haber sido recalentado. Laminador Reductor Estirador: reduce el diámetro del tubo primario hasta el diámetro comercial requerido, obteniéndose un tubo básico (llamado también tubo verde)con un largo máximo de 60 metros Mesa de enfriamiento: transporta el tubo básico del nivel de 5 metros (nivel del MPN) hasta el nivel 0,00 metros. Sierras de corte de paquetes: corta el tubo laminado en longitudes comerciales (9 y 14 metros) Además la línea de laminación de tubos cuantas con los equipos siguientes: · ·

Horno de recalentamiento de mandriles: recalentar los mandriles de diámetro de 150 a 207 mm largo 20,5 metros que se utilizara en el MPM Sistema de lubricación de mandril: aplicar al mandril una mezcla grafitada con agua o bórax, con el fin que el mandril no se adhiera al tubo que estará proceso de laminación.



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· ·

Pre-inserción de mandriles: inserta mandril lubricado en el tubo semi elaborado. Sistema de enfriamiento de mandril: enfría el mandril después de la laminación a una temperatura final entre 90 a 100°C.

En el método continuo, mostrado en la Fig. 3.1.9, un cilindro de un diámetro de 180 mm. Es perforado y transportada al mandril laminador de cinco juegos de jaulas en donde se inserta un mandril caliente recubierto con bórax, que actúa como antioxidante y lubricante entre las partes Estos rodillos reducen el diámetro del tubo y el espesor de pared., luego el mandril se extrae del tubo base que se obtiene con un largo den orden de 29 metro El tubo es recalentado antes de entrar al Laminador- Reductor- Estirador de doce estaciones Fig. 3.1.10, este tren no sólo reduce el espesor de pared del tubo caliente sino también el diámetro del mismo. Cada rodillo sucesivo es impulsado a producir una tensión suficiente para alargar el tubo entre estaciones. El máximo rendimiento de este tren es 390 m/min para tubo de alrededor de 50mm, de diámetro, obteniéndose un tubo verde de 140 metros de largo



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Proceso de Laminacion

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