Laminação Contínua de Barras e Vergalhões: Tecnologia de Ponta para Produtos Longos Superiores

A tecnologia de laminação contínua (endless rolling) é o método de processo mais avançado para laminação de barras e vergalhões (produtos longos) a partir de tarugos. Consiste em um arranjo de soldagem projetado para unir tarugos continuamente, fornecendo suprimento contínuo de material ao trem de laminação. A união da extremidade traseira do tarugo sendo laminado com a extremidade dianteira do próximo tarugo é um dos aspectos-chave.

Embora em operação comercial desde o final dos anos 1990, levou tempo para atingir maturidade técnica. Principais razões: (i) dificuldade no desenvolvimento de tecnologia de soldagem de tarugos quentes de grande seção transversal em tempo curto, (ii) necessidade de alta qualidade de junta para melhorar rendimento, (iii) dificuldade no desenvolvimento de tecnologia para desbarbamento completo e suave da junta soldada em tempo curto para evitar defeitos superficiais e deformação dos tarugos, (iv) manter diferença de qualidade entre junta soldada e resto do tarugo dentro de limites aceitáveis, pois a junta é laminada em grande comprimento, reduzindo uniformidade da composição química e estabilidade mecânica do produto final.

Conceito de Laminação Contínua

O conceito levou a mudança no método geral de laminação, anteriormente baseado em tarugos individuais com ciclo de entrada de ponta, laminação, saída de cauda e intervalos entre tarugos. Este ciclo ditava projeto de equipamentos e sistemas de controle em laminação de barras e vergalhões atuais.

A carepa superficial do tarugo vindo do forno de reaquecimento é removida por jato de água de alta pressão na caixa de descalcinação. Após isso, a extremidade dianteira do tarugo deve ser soldada à extremidade traseira do tarugo que entrou no grupo de desbaste. Soldagem deve completar enquanto tarugo avança no trem. Máquina de solda fixa em carro móvel acionado por dois motores brushless ou com conjuntos de rolos de pinça nos dois lados. Velocidades dos dois tarugos devem ser igualadas. Grampos da máquina de solda, acionados hidraulicamente, prendem as duas extremidades, centralizando as faces. Primeira etapa: fusão da face final; segunda: extrusão (upsetting) dos tarugos. Este método garante que estrutura física da linha de solda seja conformável à dos tarugos origem, mantendo qualidade.

Requisitos do Sistema de Acionamento

A laminação contínua exige do sistema de acionamento:

1. Garantir segurança do equipamento de soldagem e exatidão do processo: velocidade do tarugo na extremidade dianteira da máquina de solda deve igualar velocidade linear de laminação na primeira gaiola.
2. Velocidade do tarugo (menor para garantir efeito de descalcinação na caixa) deve aumentar após descalcinação para alcançar velocidade do tarugo já em laminação. Sistema de acionamento da mesa de rolos do forno ao desbaste deve ser multivelocidade.
3. Condições aleatórias durante laminação fazem ponto de encontro dos tarugos variar. Sistema de acionamento para perseguição deve corresponder a sistema servo de posição. Curva de velocidade do tarugo a ser unido mostrada na Fig. 1.

Processo de Soldagem

Completado enquanto tarugo avança. Arco elétrico controlado entre extremidades dos tarugos funde material de aço em volume suficiente para posterior upset (apertamento) e união por dispositivo hidráulico. Parte do material "espalha" (rebarba) das extremidades. Após soldagem, rebarba na junta é removida por máquina de desbarbamento e rastreada durante laminação. Quantidade total removida contabiliza como perda no rendimento (0,2% a 0,3% em peso de tarugo de 12 m), dependendo do tamanho do tarugo. Série de operações é automatizada sem aumentar carga de trabalho dos operadores.

Para soldagem em espaço confinado entre forno e desbaste, solda topo a topo (flash-butt) é normalmente empregada, realizada em tempo curto. Máquina instalada entre forno e desbaste, com rolos de pinça antes e depois. Na laminação convencional, espaçamento constante entre tarugos é mantido ajustando tempo de extração no forno e/ou velocidade de transferência dos rolos de pinça. Na laminação contínua, velocidade de transferência controlada por rolos de pinça dianteiros e traseiros; velocidade da máquina de solda sincronizada com velocidade de transferência do tarugo; soldagem e upset aplicados às extremidades.

Método de união é solda topo a topo (flush-butt). Grande quantidade de faíscas e respingos ocorre em todas as direções, incluindo topo, lados e parte inferior da área soldada. Preocupação: respingos causando problemas de equipamento/qualidade no fio adjacente. Contenção eficaz de faíscas e material de respingo durante pré-aquecimento e fase de flashing é necessária. Material não controlado gruda em componentes da unidade de soldagem e sistema de rolos desaparecentes, incluindo sensores e encoders. Diferentes fornecedores desenvolveram métodos para minimizar efeito de respingos. Procedimento de soldagem e operação de desbarbamento na Fig. 2.

Desafios Térmicos e Metalúrgicos

Em condições ideais, todo material teria mesmo ciclo de aquecimento e laminação. Com soldagem contínua em nova usina, layout próximo a isso é possível. Em usinas existentes, tempo entre forno e primeira gaiola pode diferir consideravelmente entre ponta e cauda do tarugo. Durante laminação, pequeno comprimento do tarugo aumenta temperatura pela energia da união, enquanto temperaturas menores prevalecem nas áreas de superfície onde grampos refrigerados a água contactaram o material.

Dois fatores principais influenciam o processo: (i) desgaste dos cilindros e (ii) diferença de temperatura. Para compensar desgaste, pequenas mudanças no vão dos cilindros considerando mudança no espalhamento do material, manutenção de tensão entre gaiolas ligadas, e possibilidade de sobrecarga de gaiola individual. Temperatura consistente necessária usando controle estatístico de pressão para minimizar desvios cíclicos.

Automação do Processo de Soldagem

Sistema de automação eficaz é componente-chave para controle do processo, assegurando qualidade e estabilidade. Junta bem-sucedida deve mostrar:

• Robustez e estabilidade mecânica durante laminação sem gerar defeitos superficiais
• Valores satisfatórios e consistentes de descarburização (na área soldada) dentro de limites aceitáveis: 4% a 8% máx. para graus baixo e médio carbono (até 0,4% C)
• Desvio absoluto nos valores de limite de escoamento e resistência à tração não excedendo ±8% do valor normal da barra

Requisitos podem não ser atendidos se houver homogeneidade ruim no material fundido ou presença de cavidades e bolhas de gás na área soldada. Defeitos causados por instabilidade do arco elétrico ou execução insatisfatória da fase de upset (pressão aplicada e "apertamento" geométrico necessário). Sistema de automação dedicado necessário para monitoramento rigoroso em tempo real de parâmetros: temperatura dos tarugos saindo do forno, temperatura das superfícies de união, posição dos grampos, tensão entre grampos e corrente, velocidade de queima das superfícies, comprimento queimado durante flashing, profundidade de fusão e tempo de flashing, pressão e profundidade "apertada" durante fase de upset.

Benefícios da Laminação Contínua

• Eliminação do tempo de intervalo entre tarugos: Aumento de capacidade de 8% a 12% (se houver capacidade no forno). Sem capacidade no forno, produção mantida com menor velocidade de laminação, economizando energia específica e reduzindo desgaste de peças intercambiáveis.
• Eliminação de corte de ponta e cauda: Aumento de rendimento de 0,7% a 0,9% (depende de design de passada e layout de tesouras de corte).
• Maior estabilidade operacional: Consistência de setup por laminação de tarugo único contínuo.
• Redução drástica de risco de empenos (cobbles):
• Praticamente nenhuma geração de barras curtas no leito de resfriamento: Aumento de rendimento até 1% (depende de design de passada, tamanho do produto, nível de automação).
• Aumento da vida de peças intercambiáveis: Redução drástica de mordidas de ponta nas gaiolas e guias, diminuição de impactos mecânicos, melhor estabilidade térmica.