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Cilindros e Oficina de Cilindros para Laminação: Soluções Especializadas para Desempenho e Durabilidade

Os cilindros são os principais e muito custosos consumíveis em uma laminadora. Eles são usados para laminar aço na laminadora e seu desempenho depende de muitos fatores, que incluem os materiais utilizados e as cargas a que são submetidos durante o serviço. O projeto do cilindro é influenciado pelas limitações aplicadas pela carga de laminação, a resistência do cilindro e o torque disponível para laminação. No caso de laminação plana, também é influenciado pela folga feita para flexão do cilindro e pela curvatura (camber) dos cilindros. O projeto do cilindro deve contemplar a carga e o torque requeridos para qualquer passe. Além disso, deve garantir que as dimensões físicas e o material do cilindro sejam capazes de suportar as cargas mais pesadas que surgem durante a sequência de laminação. Outro fator importante onde a vida do cilindro está em questão são as propriedades de desgaste do material do cilindro.

Materiais dos Cilindros

Na laminação de aços, o material dos cilindros deve ser capaz de suportar cargas que deformam plasticamente o material a ser laminado sem ser ele próprio deformado plasticamente. Na laminação de aço quente, este não é um problema difícil e cilindros de ferro ou aço são adequados se operados a uma temperatura consideravelmente menor que a do material laminado. Se cilindros de ferro ou aço são usados em qualquer caso particular depende do serviço específico que têm de realizar e se tenacidade, resistência a trincas térmicas ou carga de choque ou propriedades de desgaste duro é o mais importante.

Os cilindros podem ser classificados de acordo com os materiais dos cilindros (Fig. 1) e o método de fabricação, a primeira subdivisão principal sendo: (i) cilindros de ferro, e (ii) cilindros de aço. Esta divisão depende do teor de carbono do material. No caso dos cilindros, a linha divisória é geralmente tomada em cerca de 2,4% C. Normalmente, os cilindros são referidos como sendo de base aço abaixo deste valor, e de base ferro acima deste valor. Existe uma distinção estrutural marcante entre estes dois tipos, pois não há carbono grafítico livre nos cilindros de base aço. Os cilindros de aço podem ser fundidos ou forjados, dando uma subdivisão adicional. Outra divisão que atravessa a classificação acima é a de cilindros duplos duplex fundidos duas vezes, que podem ser fundidos com uma superfície externa de metal duro e um metal mais tenaz e forte formando o centro do cilindro.

Cilindros e Oficina de Cilindros para Laminação: Soluções Especializadas para Desempenho e Durabilidade
Fig. 1 Classificação dos cilindros baseada nos materiais dos cilindros

Cilindros de Ferro

Os cilindros de ferro são dos seguintes tipos:

Cilindros de Aço

Os cilindros de aço podem ser fundidos ou forjados. São muito mais fortes e tenazes que os cilindros de ferro e são usados, portanto, onde um cilindro de ferro é considerado não forte o suficiente. Permitem reduções mais pesadas, especialmente onde sulcos profundos são requeridos. Quebras devido a carga de choque são muito menos prováveis de ocorrer e as propriedades podem ser variadas consideravelmente por tratamento térmico adequado. No entanto, cilindros de aço-carbono desgastam mais rapidamente que cilindros de ferro devido à sua baixa dureza.

Cilindros de Carboneto

Carboneto de tungstênio, WC ou W₂C, é um composto químico contendo tungstênio e carbono. Sua dureza extrema o torna útil na fabricação de cilindros de laminadora para vida prolongada em aplicações onde longas campanhas de laminação são requeridas. WC em combinação com materiais aglutinantes em forma de pó são misturados, moídos, granulados e compactados em blocos brutos de forma quase final, que são finalmente sinterizados em forno a vácuo. Alguns cilindros são então prensados isotopicamente a quente (HIP). Os cilindros são então retificados usando rodas de diamante ou torneados em torno usando ferramentas de corte muito duras às dimensões requeridas. Estes cilindros são normalmente usados em blocos de acabamento de arame e em algumas aplicações de laminação de perfis. Estes cilindros requerem água de resfriamento de alta qualidade em uma faixa de pH estreita e dureza limitada. O uso de água de resfriamento fora da faixa de pH recomendada lixivia o aglutinante do cilindro, causando falha prematura da superfície do cilindro. Vários graus de cilindros de carboneto estão disponíveis baseados no tamanho de grão e teor de aglutinante e composição do aglutinante. A faixa de aplicação nos últimos anos estendeu o uso de cilindros de carboneto de volta às laminadoras intermediárias, usando uma manga de carboneto montada em um eixo de aço. A montagem é realizada por método mecânico ou criando um cilindro composto por prensagem e sinterização de um anel de carboneto no eixo.

Efeito dos Elementos de Liga nos Cilindros

Os efeitos dos elementos de liga nos cilindros são dados na Tabela 1.

Tabela 1 Efeitos dos elementos de liga nos cilindros
Elemento Cilindros de ferro ligado Cilindros de aço ligado
Carbono (C) Aumenta dureza, fragilidade e resistência ao desgaste. Diminui ductilidade, profundidade de resfriamento Aumenta dureza, fragilidade e resistência ao desgaste. Diminui resistência a choque
Silício (Si) Aumenta grafite, adiciona limpeza, Diminui profundidade de resfriamento Limpa o aço na proporção de 0,20%–0,35%, Adiciona dureza, Desoxidante, promove vazamento saudável
Fósforo (P) Aumenta dureza e fragilidade Aumenta dureza e fragilidade, Diminui ductilidade, Tem tendência a segregar
Enxofre (S) Aumenta dureza, fragilidade e profundidade de resfriamento Aumenta dureza e fragilidade. Diminui ductilidade. Deve ser usado com discrição
Manganês (Mn) Reduz resfriamento em faixas baixas, aumenta resfriamento em faixas altas, aumenta dureza em combinação com níquel e cromo, aumenta fragilidade Aumenta dureza e fragilidade. Limpa para resistência à tração e resistência ao desgaste
Níquel (Ni) Aumenta resistência, dureza e resistência ao desgaste. Diminui profundidade de resfriamento Aumenta resistência, dureza e resistência a trincas por fogo em combinação com Cr e outros
Molibdênio (Mo) Aumenta resistência, dureza e resistência a trincas por fogo, refina grão Aumenta resistência e dureza
Vanádio (V) Aumenta profundidade de resfriamento, resistência e resistência a trincas por fogo, Reduz ductilidade Aumenta tenacidade, dureza e susceptibilidade a tratamento térmico
Cromo (Cr) Endurecedor em todos os momentos; usado em combinação com Ni ou Mo ou ambos, aumenta profundidade de resfriamento Endurecedor – funciona melhor em combinação com Ni ou Mo ou ambos
Cobre (Cu) Em pequenas quantidades similar a Ni Similar a Ni
Boro (B) Endurecedor, usado com discrição Aumenta dureza

Tipos de Cilindros Usados em Diversas Laminadoras a Quente

Os tipos de cilindros usados em laminadoras de florão e blocos, tarugos e barras comerciais, laminadoras de perfis, laminadoras de chapas e laminadoras de tiras a quente são dados nas Tabelas 2, 3, 4, 5 e 6, respectivamente. A seleção de qualquer cilindro particular depende de demandas de produção, custo inicial, qualidades específicas requeridas, etc. Colaboração próxima com o fabricante de cilindros é desejável para garantir que esses requisitos sejam satisfeitos na medida do possível.

Tabela 2 Tipos de cilindros para laminadoras de florão e blocos
Tipo de cilindro Dureza superficial (Graus Shore)
Aço forjado, 0,4% C24–30
Aço fundido, 0,4 a 0,9% C, Dúctil28–36
Aço ligado fundido, 0 a 0,5% Mo + Ni, Cr, Mn, forte, tenaz, resistente a trincas por fogo30–42
Aço fundido Adamite, Alto C em solução completa + Ni, Cr, Bom desgaste mas precisa de resfriamento copioso para evitar flutuações de temperatura30–48
Tabela 3 Tipos de cilindros para laminadoras de tarugos e barras comerciais
Tipo de cilindro Dureza superficial (Graus Shore)
Aço forjado 0,75% C, Cilindros de estande de desbaste35
Aço fundido – 0 a 0,5% Mo + Ni, Cr, Mn, Forte, tenaz, resistente a trincas por fogo30–42
Cilindros de grão perlítico, Ferro fundido, Forte, tenaz e resistente a trincas por fogo, Cilindros de fio-máquina (strand rolls)30–38
Cilindros de grão especial, Melhoria no acima35–40
Aço fundido Adamite, Alto C em solução completa + Ni e Cr, Bom desgaste mas precisa de controle de flutuações, Cilindros de desbaste30–48
Cilindros de resfriamento indefinido C direto, Flutuações de temperatura devem ser evitadas, Cilindros de estande intermediário35–40
Cilindros de grão ligado Adamite, Muito boa penetração de dureza, requer controle de temperatura e pode ter ampla faixa de dureza e resistência, Cilindros de fio-máquina35–50
Cilindros de resfriamento C direto, Alta resistência a mudanças de temperatura, quebra e microtrincas superficiais, Cilindros de perfis pequenos55–65
Cilindros de resfriamento indefinido ligado Adamite, Melhoria no acima, Cilindros ovais e guias55–70
Cilindros de resfriamento indefinido ligado totalmente duro, Melhoria no Adamite, ex.: Nironite65–85
Cilindros de ferro fundido ligado de alta liga com bom endurecimento por trabalho, Cilindros de laminadora de guias65–90
Grafite esferoidal, Cilindros de desbaste de tarugos55
Grafite esferoidal, Laminadoras de barras. Maioria dos estandes resistência a trincas por fogo, Cilindros de desbaste60–65
Tabela 4 Tipos de cilindros para laminadoras de perfis
Tipo de cilindro Dureza superficial (Graus Shore)
Cilindros de aço forjado, Desbaste, Intermediário e Acabamento24–30
Aço fundido, 0,4 a 0,9% C, Desbaste28–36
Cilindros de grão perlítico, Forte, tenaz e resistente a trincas por fogo, Desbaste, Intermediário e Acabamento30–38
Aço fundido, 0 a 0,5% Mo + Ni, Cr, Mn, Forte, tenaz e com boa resistência a trincas por fogo, Desbaste30–42
Aço fundido Adamite, Alto carbono em solução completa + Ni, Cr, Bom desgaste mas precisa de resfriamento copioso para evitar flutuações de temperatura, Desbaste30–48
Cilindros de grão especial – melhoria no acima35–40
Aço hipereutetoide com Ni, Cr e Mo, Resistência ao desgaste e resistência em proporções aproximadamente iguais, Desbaste e Semi-acabamento35–45
Cilindros de resfriamento indefinido C direto, Flutuações de temperatura devem ser evitadas, Cilindros de estande intermediário38–40
Cilindros de liga Adamite, Muito boa penetração de dureza, Requerem controle de temperatura, Fabricados em ampla faixa de dureza e resistência, Intermediário e Acabamento38–50
Aço fundido com Cr e W, Alta resistência a microtrincas e trincas por fogo, Semi-acabamento40–50
Cilindros de resfriamento indefinido ligado Adamite, Melhoria no acima, Intermediário e Acabamento55–70
Grafite esferoidal para Cilindros de desbaste reversíveis45
Grafite esferoidal para Laminadoras de perfis pequenos60–65
Tabela 5 Tipos de cilindros para laminadoras de chapas
Tipo de cilindro Dureza superficial (Graus Shore)
Cilindros de grão perlítico, Ferro fundido, Forte, tenaz e resistente a trincas por fogo, Desbaste30–38
Ferro fundido, 0 a 0,5% Mo + Ni, Cr, Mn, Forte, tenaz e com boa resistência a trincas por fogo40–42
Cilindros de grão especial, Melhoria no Perlítico35–40
Cilindros de resfriamento C direto, Alta resistência a mudanças de temperatura, quebra e microtrincas superficiais55–65
Como acima mas incluindo 0,4 a 1,0% Mo, Cilindros de trabalho, Condições da laminadora devem ser estáveis55–65
Cilindros de resfriamento indefinido ligado. Flutuações de temperatura devem ser evitadas por resfriamento, Cilindros de trabalho e Acabamento65–85
Cilindros de resfriamento ligado, Ferro fundido ligado Ni, Bom endurecimento por trabalho, Acabamento65–90
Cilindros de resfriamento composto ligado, Casca externa de ferro branco ligado formando superfície de trabalho e restante de ferro cinzento tenaz, Bom para acabamentos superfinos, vantagem da casca ser auto-endurecível, Cilindros de trabalho75–95
Tabela 6 Tipos de cilindros para laminadoras de tiras a quente
Tipo de cilindro Dureza superficial (Graus Shore)
Cilindros de aço forjado, Cilindros de trabalho24–30
Aço fundido Adamite, Alto carbono em solução completa com Ni e Cr, Bom desgaste mas precisa de controle de temperatura por resfriamento, Cilindros de trabalho30–38
Aço hipereutetoide com Ni, Cr e Mo, Resistência ao desgaste e resistência em proporções iguais, Cilindros de desbaste35–45
Cilindros de resfriamento indefinido C direto, Flutuações de temperatura devem ser evitadas, Cilindros de estande intermediário38–40
Cilindros de grão ligado Adamite, Muito boa penetração de dureza mas requerem controle de temperatura, Fabricados em ampla faixa de dureza e resistência, Intermediário e Acabamento35–50
Aço fundido com Cr e W, Alta resistência a microtrincas e trincas por fogo, Cilindros de desbaste40–50
Cilindros de resfriamento C direto, Alta resistência a mudanças de temperatura, quebra e microtrincas superficiais55–65
Como acima mas incluindo 0,4–1,0% Mo, Condições da laminadora devem ser mais estáveis e controladas mais rigorosamente, Cilindros de trabalho55–65
Cilindros de resfriamento indefinido ligado Adamite, Melhoria no acima, Cilindros de Acabamento a Quente e Planificação55–70
Cilindros de resfriamento indefinido ligado, Melhoria no Adamite, Cilindros de trabalho65–85
Cilindros de resfriamento ligado, cilindro de ferro fundido, Qualidades similares mas melhoradas aos cilindros de resfriamento indefinido ligado65–90
Cilindros de resfriamento indefinido ligado Manganite, Muito resistentes a microtrincas por fogo, marcação de cauda, machucaduras e descamação, Cilindros de trabalho do trem75–85
Grafite esferoidal, Cilindros de desbaste60–65
Grafite esferoidal, Cilindros de acabamento65–70
Grafite esferoidal, Cilindros de apoio50–55

Oficina de Cilindros (Roll Shop)

As funções da oficina de cilindros incluem as seguintes:

Inspeções de camisas e mancais são realizadas periodicamente. A função da oficina de cilindros também inclui a retífica de lâminas de cisalhamento que se tornaram cegas durante seu uso na laminadora. A oficina de cilindros moderna em uma laminadora possui as seguintes instalações:

A oficina de cilindros mantém dados individuais de desempenho dos cilindros e realiza análise completa dos dados dos cilindros para melhorar a longevidade da vida dos cilindros. Para isso, a oficina trabalha em estreita cooperação com os fornecedores de cilindros, de modo a realizar melhorias nas especificações químicas e físicas dos cilindros no próximo ciclo de aquisição. A oficina de cilindros também coopera com a agência investigadora durante a análise de falha de cilindro em caso de quebra de cilindro, fornecendo-lhes os dados do histórico do cilindro de seus registros.

As funções da oficina de cilindros também incluem a tomada de ação oportuna de aquisição dos cilindros para que possam disponibilizar os cilindros à usina conforme a necessidade da usina. A ação de aquisição deve ser tomada com vistas ao estoque de cilindros, que deve ser mantido sob controle.

Quando a vida do cilindro termina e seu diâmetro de sucata é atingido, ele é transferido para a área de cilindros de sucata para sua disposição. Da mesma forma, cilindros quebrados também são transferidos para a área de cilindros de sucata após a investigação da quebra do cilindro ser concluída.

Existem duas soluções de software usadas pelas oficinas de cilindros modernas. São elas: sistema de gerenciamento de oficina de cilindros (RSMS) e sistema de gerenciamento de defeitos de cilindros (RDMS) para controle e análise completos das operações da oficina de cilindros. O RSMS permite análises desde o monitoramento do processo real de retífica/gravação até a coleta e processamento de dados de produção, consumo e necessidade, com mínimo dispêndio de recursos. O RDMS é uma ferramenta poderosa que aumenta e otimiza a produtividade através de funções profundas de gerenciamento de defeitos e ações corretivas automáticas. Além disso, a oficina de cilindros precisa ser totalmente integrada à laminadora e deve haver troca de dados entre o sistema da usina e o sistema da oficina de cilindros.

O layout da oficina de cilindros é muito importante para otimizar a logística de movimentos dos cilindros. Além disso, passagens precisam ser fornecidas para o livre movimento de empilhadeiras.

A automação do manuseio de cilindros dentro da oficina de cilindros requer a aplicação de medidas de segurança para impedir o acesso de pessoal às áreas onde as operações são realizadas automaticamente e, portanto, não supervisionadas diretamente por pessoal. Há necessidade de fornecer barreiras de segurança para delimitar os limites da área de trabalho automática. Nesta área, o acesso é permitido apenas para fins de manutenção ou emergência.

Processo de manufatura

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