Laminación en frío

Metalurgia. Acero. Decapado. Laminador. Sistema de refrigeración. Limpieza electrolítica. Recocido. Templado. Esmaltado

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2 - DESCRIPCIÓN DE PROCESOS DE lAMINACIÓN EN FRÍO

Los procesos que se realizan en el área de laminación en frío persiguen principalmente los objetivos siguientes:

  • Reducir el espesor de la chapa procesada entre un 40 a un 90 %.

  • Obtener el espesor de salida uniforme, y la planitud dentro de las tolerancias establecidas.

  • Obtener en la chapa propiedades mecánicas adecuadas a las aplicaciones de los productos.

  • Obtener terminados superficiales acordes a los usos finales.

Para satisfacer estos objetivos es necesario efectuar además del laminado en frío, otros procesos anteriores y posteriores



2.1 - PROCESO DE DECAPADO

2.1.1 - Objetivos

La chapa de acero laminada en caliente, como consecuencia de la temperatura de proceso y en presencia de Oxígeno, forma sobre su superficie óxidos, también denominados “escamas”. Estas escamas, están compuestas por tres óxidos de

hierro según vemos a continuación:

La naturaleza de estas escamas motiva que las mismas sean completamente eliminadas de la chapa antes del proceso de laminación en frío, lo cual se realiza con el proceso de decapado.

Si bien el decapado se puede efectuar por procedimientos como el granallado o el ultrasonido, el método más difundido (al cual nos vamos a referir) es el decapado por inmersión de la chapa en soluciones ácidas.

el proceso químico se puede resumir en la siguiente reacción:

2 CLH + FeO CL 2 Fe + H2 O

Ácido Óxido de Cloruro Agua

Clorhídrico hierro ferroso

2.1.2 - Etapas del proceso

(Los valores operativos indicados corresponden a la línea instalada en la Planta Gral. Savio.)

2.1.2.1 - Sección de entrada

Una cinta transportadora recibe las bobinas laminadas en caliente y las ingresa a los rodillos desenrolladores. A continuación la chapa pasa por un conjunto de rodillos que efectúan un quebrado o agrietado de las escamas para facilitar la acción del ácido decapante. A continuación, una tijera elimina los extremos defectuosos y escuadra la cola de la bobina saliente y la cabeza de la bobina entrante. Una soldadora a tope une los extremos de bobinas a fin de mantener la continuidad de la operación. Las bobinas soldadas ingresan a un sistema de acumulación de chapa (aprox. 420 metros), que tiene por objeto mantener la continuidad del proceso en los tanques, independizándolo de las operaciones de entrada (La velocidad de entrada puede alcanzar los 550 m/min.)

2.1.2.2 - Sección media

La cinta continua de chapa pasa por una serie de cinco tanques o piletas forrados con goma y ladrillos antiácido, que contienen soluciones calientes (85/90 °C) de ácido clorhídrico en concentraciones crecientes, que efectúan la disolución de los óxidos (o sea el decapado). La adición del ácido se efectúa en el ultimo tanque, y por cascada pasa a los restantes tanques. El tiempo que demandan las reacciones químicas y la longitud de las piletas, determinan la máxima velocidad de la línea.

La chapa ya decapada pasa por un tanque de lavado por rociadores de agua, y un tanque de enjuague por inmersión en agua caliente (80/90 ºC), cuya misión es eliminar restos de ácido de la chapa, y luego por una estación de secado por aire caliente. Los vapores ácidos generados en los tanques de decapado son aspirados y tratados en equipos auxiliares. La solución agotada que se extrae por rebalse del primer tanque, contiene restos de ácido clorhídrico y cloruros de hierro. Esta puede ser diluida, neutralizada y desechada o bien recuperada en una Planta de Regeneración de ácido. Básicamente la regeneración consiste en calcinar el cloruro ferroso (FeCl2) a aprox. 700 °C en un horno, obteniéndose óxido férrico y ácido clorhídrico gaseoso que luego es absorbido por agua en una columna de absorción y reciclado a la línea.

2.1.2.3 - Sección de salida

La chapa ingresa a un foso compensador que tiene la función de mantener la continuidad del proceso cuando para la salida por fin de bobina y cambio de mandril. A continuación pasa por una refiladora de bordes con cuchillas circulares, a fin de obtener el ancho final especificado. Acompaña a este equipo una picadora de chatarra con cinta transportadora para la eliminación de los refiles. Finalmente se procede al aceitado (si el uso posterior lo requiere), continuando con el bobinado, y separación en bobinas, las cuales son pesadas, zunchadas, embaladas si es necesario, y almacenadas.

2.2 - LAMINADO EN FRÍO

2.2.1 - Objetivos

La función básica del tren de laminación es reducir entre un 40 y un 90 % el espesor de los materiales que ingresan a él, asegurando un espesor de salida uniforme y al mismo tiempo, garantizar una planitud dentro de las tolerancias especificadas.

El proceso se efectúa a temperaturas inferiores a la de recristalización, por lo tanto la estructura queda deformada. A mayor deformación mayor acritud, y por ende mayor dureza.

Las propiedades finales se obtienen por Recocido y temperado mecánico. El tamaño de grano y la dureza final depende de la cantidad de deformación en frío y del ciclo de recocido.

2.2.2 - El proceso

La Bobina proveniente de decapado es posicionada en el tren y enhebrada, estableciéndose una tensión entre el primer puente y la bobinadora.

Mediante el pasaje por 4 puentes o jaulas, o cajas laminadoras en las que se utilizan esfuerzos combinados de compresión y tracción, se reduce el material al espesor deseado, siendo asegurada la uniformidad por un control automático de espesores.

Cada puente tiene la disposición de cuatro cilindros en alto, contando con 2 cilindros de trabajo que actúan directamente sobre la chapa, y 2 cilindros de apoyo o respaldo, que transmiten la fuerza de laminación a los primeros. Cada puente participa con un porcentaje a la reducción total.

Durante el proceso de laminación se ponen en juego cantidades importantes de energía y la mayor parte se transforma en calor que debe ser evacuado por un sistema de refrigeración, que además mantenga el rozamiento entre cilindros y chapas en valores adecuados.

A la salida del último puente, los restos de solución de laminado son barridos con aire a presión y a continuación la banda laminada es enrollada en un mandril bobinador con una tensión de bobinado controlada.

Foto: se muestra la bobinadora a la salida del laminador

2.2.3 - Predisposición del laminador (Set-up)

En función del espesor de entrada y de salida, existe una distribución de reducciones entre cajas.

De acuerdo con las condiciones de laminación (emulsión en los cuatro puentes, tipos de aceite utilizado, etc.) el criterio de distribución de reducciones será dado por el aprovechamiento máximo de cada puente en función de la potencia disponible, de la forma de salida, de los defectos superficiales que se pueden generar y del poder lubricante del refrigerante. El criterio adoptado debe permitir una distribución de reducciones tal que establezca una relación de velocidades que permita mantener la tensión entre puentes dentro de los límites de seguridad establecidos (generalmente se admite 1/3 del valor de rotura del material a laminar). Cualquier programa de reducciones que se establezca tendrá en cuenta las siguientes premisas básicas:

  • La reducción en el puente “1” deberá ser la máxima compatible con la potencia y el tiro disponible.

  • Cuando se laminan espesores pesados (espesor. final mayor a 0,50 mm), la reducción en el último puente no superará al 15 %, a fin de permitir el mejor control de la planitud y terminado superficial.

  • Cuando se laminan espesores finos y hojalata, es aconsejable que el espesor llegue lo más grueso posible a los últimos puentes a efectos de evitar las roturas. Lo normal es efectuar en el último puente una reducción del 40 al 50%.

2.2.4 - Control Automático de Espesores (CAE)

Generalmente, las bobinas laminadas en caliente suelen tener diferencias de espesor y de dureza entre sus extremos con respecto al resto. Normalmente la bobina decapada que entra al laminador de frío, está formada por 2 o 3 de estas bobinas, unidas por soldadura. Estas variaciones, en tramos cortos, como así también las variaciones temporarias del coeficiente de rozamiento, de velocidad de deformación, etc., son muy difíciles de corregir en forma manual.

La misión del CAE es absorber todos estos factores que tienden a producir chapa con espesores variables, y en base, fundamentalmente, a las señales emitidas por dos medidores de espesor por rayos “X”, actuar en forma automática sobre las fuerzas de laminado y las velocidades de los cilindros, para obtener el espesor de la chapa a la salida del tren, dentro de las tolerancias establecidas.

2.2.5 - Sistema de refrigeración

El proceso de laminación en frío requiere que los cilindros y la chapa sean rociados por un líquido llamado emulsión o solución de laminado. La emulsión cumple con diversos objetivos, de los cuales los más evidentes son la refrigeración, para eliminar el calor generado durante la deformación y la lubricación, para mantener controlado dentro de determinados valores el coeficiente de roce entre chapa y cilindros. Las emulsiones están formadas por la: “mezcla” o dispersión de partículas de aceite en agua (favorecida por la acción de aditivos), que suma el poder lubricante del aceite con el refrigerante del agua. Esto permite obtener los siguientes beneficios:

  • Mejor control y uniformidad en el espesor y la forma

  • Menor desgaste de los cilindros

  • Menor consumo de energía

  • Mayor velocidad de laminado

Se originan dos tipos de emulsiones:

  • Emulsión estable: Formada por partículas finas de aceite mineral que se dispersan fácilmente en agua. Se usan para el laminado de chapa (espesores superiores a 0,50 mm). Los restos de aceite son eliminados en el proceso de recocido sin dejar residuos.

  • Emulsión inestable: Formado por partículas gruesas de aceite animal dispersas en agua. Esta emulsión se caracteriza por su alto poder lubricante y se utiliza en el laminado de chapa fina y hojalata (espesores iguales o menores a 0.50 mm.) debido a la mayor exigencia de reducciones. Los restos de emulsión son eliminados en el proceso posterior de Limpieza Electrolítica.

2.3 - LIMPIEZA ELECTROLÍTICA

2.3.1 - Objetivos

Eliminar los restos de aceites que quedan sobre la chapa fina y hojalata en el laminado en frío, puesto que por sus características son de difícil remoción en el proceso de recocido. Además se necesita un alto grado de limpieza a los efectos de favorecer una perfecta adherencia en el posterior proceso de revestimiento (estaño, zinc, etc.).

2.3.2 - El proceso

Para dar continuidad al proceso, las bobinas se despuntan y se sueldan por solapado. La limpieza se efectúa utilizando un medio altamente alcalino (pH= 12/13), a temperaturas de 80/85 °C, para saponificar y solubilizar los componentes orgánicos de los aceites. En los dos tanques de limpieza la remoción de aceite se favorece por una intensa agitación y burbujeo debido a

una acción electrolítica al pasar la chapa entre 4 juegos de electrodos que tiene cada tanque, actuando el agente limpiador como electrolito. Los componentes típicos del electrolito son: Soda Cáustica, fosfato trisódico, Ortosilicatos, y agentes tensioactivos. El proceso opera con valores 8-12 V., y densidad de corriente de 12-15 A/dm2, siendo la velocidad normal de línea del orden de 500 m/min. Después de cada tanque de limpieza la chapa pasa por el respectivo tanque de cepillado, con inyección de agua caliente a presión y rodillos escurridores. En estos tanques se efectúa un enérgico fregado. A continuación, el material es sometido a un enjuague por inmersión en agua caliente pasando luego por dos juegos de rodillos escurridores, finalmente la chapa es secada en una estación con aire caliente, y separada en bobinas con las dimensiones deseadas.

2.4 - PROCESO DE RECOCIDO

2.4.1 - Objetivos

Restablecer la estructura metalográfica deformada por el laminado en frío y otorgar al material las características mecánicas finales requeridas para su uso.

2.4.2 - El proceso

En el proceso de laminación en frío, la estructura granular y cristalina del material se deforma, con lo cual se verifica un aumento de la dureza y la resistencia a la tracción (aumento de “acritud) en el material que lo inhabilita para las posteriores operaciones de conformado.

La restauración de propiedades se realiza aportando energía externa (calor). A medida que se aumenta la temperatura, se observan las siguientes etapas:

  • Restauración o recuperación o alivio de tensiones ( 150 - 300 °C): Ocurre un reacomodamiento de dislocaciones y con ello la eliminación de tensiones internas

  • Recristalización: En los límites de granos deformados, comienzan a nuclearse y desarrollarse los nuevos granos, con la misma morfología que los originales sin deformar. A mayor deformación, mayor número de nuevos granos y por lo tanto menor tamaño de grano recristalizado.

  • Crecimiento de grano: Si se sigue aumentando la temperatura por encima de la de recristalización, o se mantiene un tiempo prolongado en le misma, comienza el proceso de crecimiento de grano (los granos más pequeños son absorbidos por los vecinos). El crecimiento en mucho más sensible al aumento de la temperatura que al tiempo de permanencia.

2.4.2.1 - Equipamiento

El recocido se realiza en hornos circulares tipo monopila con circulación de gas inerte. Los componentes básicos son :

  • Base: con placa de base, difusor y termocupla de control de ciclo.

  • Cubierta o campana interior: Se coloca sobre la base cubriendo las bobinas y se sella a fin de que circule en su interior el gas HNX, y evitar la contaminación con Oxígeno.

  • Horno: Cubierto interiormente con refractarios. Contiene los quemadores alimentados con gas de coque, y la termocupla de control de marcha del horno.

  • Campana de enfriamiento: Se coloca luego de retirado el horno. La misma cuenta con ventiladores de flujo tangencial, que aceleran el ciclo de enfriamiento



2.4.2.2 - Secuencia de proceso

Teniendo en cuenta el Ciclo de recocido a efectuar y las dimensiones de las bobinas , se selecciona 3 o 4 de ellas, para efectuar la carga en la base. Una vez cargadas la bobinas con sus correspondientes placas separadoras, se coloca la campana interior y se sella a la base con arena (también se usan sellos cerámicos). A continuación se realiza el purgado, es decir la eliminación del aire encerrado en la cubierta, barriendo el interior con gas inerte. El gas inerte HNX es una mezcla compuesta por 95 % N2 y 5 % H2)., y estará presente durante todo el ciclo térmico.

Una vez finalizado el purgado se coloca cuidadosamente el horno (evitando golpear la campana) y se enciende, con lo cual se da comienzo al recocido. El calentamiento de las bobinas se realiza fundamentalmente por la circulación del gas inerte que es forzado por el ventilador de base a pasar entre las espiras.

La marcha del ciclo térmico, (velocidad de calentamiento, temperatura a alcanzar y tiempo de igualación) se fija teniendo en cuenta el peso de la carga y las exigencias finales del producto.

Al finalizar la etapa de igualación de temperatura. se procede a apagar y retirar el horno, dando fin a la etapa de calentamiento, y comienza el enfriamiento. Cuando la temperatura desciende a los 500 ºC se coloca la cubierta enfriadora, la cual por acción de un ventilador acelera el enfriamiento. Una vez que la temperatura desciende de los 115 ºC, se procede al retiro de las cubiertas (enfriadora e interior) y a descargar la base. El enfriamiento hasta temperatura de laminado se realiza en la playa de bobinas a templar ( se debe templar a menos de 40 °C)

2.5 - PROCESO DE TEMPLADO

2.5.1. - Objetivos

Desarrollar en la chapa recocida una determinada dureza o temple superficial a fin de conferirle las características mecánicas y el terminado superficial requeridas por los productos finales. Complementariamente se mejora la planitud de la chapa, y se la protege de la oxidación mediante el aceitado, cuando el posterior uso lo requiera.

Básicamente, lo que se persigue es prevenir, en los procesos de conformado o embutido posteriores, la aparición, muy notoria, de deformaciones localizadas conocidas como líneas de flujo plástico o bandas de Lüders, que inutilizan el material para ciertos usos.

A continuación veremos los diagramas de ensayo de tracción en aceros:

a) Recocidos.

b) Recocidos con templado mecánico


Acero Recocido

Acero Recocido y Templado


2.5.2 - El proceso

Las características mencionadas se obtienen haciendo pasar la chapa por un laminador de temple de uno o dos puentes donde por la acción combinada de tensión y compresión, se efectúa una pequeña deformación del orden de 0,5 a 2,0 %, que afecta fundamentalmente a la superficie. El proceso puede ser realizado en seco o humedeciendo los cilindros con una niebla de solución si los requerimientos de limpieza superficial lo aconsejan.

Previo al bobinado se procede a efectuar el aceitado protector. Las bobinas son separadas al peso requerido, embaladas y almacenadas hasta su retiro o envío a sus destinos.

El terminado superficial se obtiene con el uso de cilindros a los cuales se le ha conferido por granallado una rugosidad controlada.

  • Terminado superficial laminador de 1 puente

  • Brillante: rugosidad de cilindros de 7 a 10 micropulgadas

  • Semimate: rugosidad de cilindros de 80 a 90 micropulgadas

  • Mate: rugosidad de cilindros de 130 a 150 micropulgadas

  • Terminado superficial laminador de 2 puentes

  • Brillante: rugosidad de cilindros # 1 de 40 a 60 - # 2 de 7 a 10 micropulgadas

  • Semimate: rugosidad de cilindros # 1 de 40 a 60 - # 2 de 40 a 60 micropulgadas

- PRODUCTOS LAMINADOS EN FRÍO

Destinos

CALIDADES STANDARD DE FABRICACIÓN 

La chapa laminada en frío de Siderar, está disponible en una amplia variedad de calidades de acuerdo a normas nacionales e internacionales.

A título orientativo se dan algunas propiedades y límites dimensionales de fabricación de las calidades de producción standard, que satisfacen las necesidades de la mayoría de los mercados usuarios.

Calidad para usos Generales

Material apto para usos generales que requieren plegado, tales como muebles, gabinetes, partes de máquinas, artefactos eléctricos, etc.

Calidad para embutido moderado, profundo y extra profundo

Embutido moderado: se utiliza para la fabricación de perfilería para la construcción de partes de carrocerías, filtros, carcazas de motores, etc.

Embutido profundo: se utiliza para piezas no expuestas de automóviles, carcazas de motores eléctricos, piezas interiores de artículos para el hogar, etc

Embutido extra profundo: se utiliza para la fabricación de guardabarros, capot, techos, paneles, etc.

Calidad para embutido extra profundo con resistencia a la corrosión perforante y para máxima exigencia de conformado

Resistencia a la corrosión perforante: se utiliza para la fabricación de partes expuestas y no expuestas de carrocerías de automóviles, guardabarros., pisos, pasapuertas internos, travesaños, zócalos, etc.

Máxima exigencia de conformado: se utiliza principalmente en aplicaciones como parábolas de faros y cárteres.

Calidades aptas para esmaltado

LOZA : sus principales aplicaciones son lavarropas, cocinas, secadores, hornos, etc.

EP-LOZA : sus aplicaciones particulares son bañeras y bateas de lavarropas.

Calidades de alta resistencia con características especiales de conformabilidad

Sus principales aplicaciones son paragolpes, parantes, travesaños, pisos de automotores, caños estructurales, etc.

Calidad para usos eléctricos

ELE-1 : se utiliza en la fabricación de pacos estatóricos, de motores de baja y media potencia.

ELE-2 : se aplica en piezas como balastos, pequeños transformadores, pacos estatóricos y rotóricos de motores de mayor potencia.

Calidad con alta exigencia de planitud

Se utiliza en gabinetes de artículos para el hogar y/o paneles pintados tales como heladeras, freezers, cocinas, termotanques, etc.

Calidad con buena condición de soldabilidad y expandido

Se aplica en la fabricación de tambores con proceso de rolado, soldado y expandido del cuerpo soldado.

Calidad de alta dureza

Se utiliza como chapa base para procesos de revestimiento metálico por inmersión en caliente, tales como galvanizado y aluminizado. También se utiliza para encofrados y piezas estructurales no conformadas o que incluyan una etapa de recocido previo en su proceso de fabricación.

FeO (Óxido Ferroso)

Fe2O3 (ÓxidoFérrico)

CHAPA BASE

Fe3O4 (Óxido Ferroso Férrico)