Proceso e instalaciones de laminado

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA
Carrera de: Ingeniería Mecánica
Materia: Transformación de Polímeros II
Docente: PhD Jorge Fajardo.
INTEGRANTES:
Fernando Sinchi.
Kevyn Vallejos.
José Garcés.
Alex Faican.
David Ormaza.
Diego Espejo.
PROCESO E INSTALACIONES DE LAMINADO Y CALANDRADO.
1
CONTENIDO
•
•
•
•
•
•
•
•
•
DEFINICIONES
ESQUEMAS DEL PROCESO Y SUS VARIANTES
MAQUINAS Y MECANISMOS PRINCIPALES
PARAMETROS CLAVES PARA LA MANUFACTURA
CALCULOS PRINCIPALES
PROBLEMAS FRECUENTES
SOLUCION A PROBLEMAS
EJEMPLOS REALES DE PRODUCTOS
VIDEO EXPLICATIVO
2
DEFINICIONES
• El laminado es un proceso de deformación en el cual el espesor
del material de trabajo se reduce mediante fuerzas de
compresión ejercidas por dos rodillos opuestos. Los rodillos
giran para jalar del material de trabajo y simultáneamente
apretarlo entre ellos.
Laminado plano.
3
DEFINICIONES
 La mayoría de los procesos de laminado involucran una alta inversión de capital.
 El alto costo de inversión requiere que los molinos se usen para producción en
grandes cantidades de artículos estándar, como láminas y placas.
 La fabricación de acero representa la aplicación más común de las operaciones
de laminación
 La mayoría del laminado se realiza en caliente debido a la gran cantidad de
deformación requerida, y se le llama laminado en caliente.
 El laminado posterior de las placas y láminas trabajadas en caliente se realiza
frecuentemente por laminado en frío.
 Un proceso estrechamente relacionado es el laminado de perfiles, en el cual una
sección transversal cuadrada se transforma en un perfil, tal como en una viga en
I.
4
DEFINICIONES
 Los metales laminados en caliente están generalmente libres de esfuerzos
residuales y sus propiedades son isotrópicas. Las desventajas del laminado en
caliente son que el producto no puede mantenerse dentro de tolerancias
adecuadas, y la superficie presenta una capa de óxido característica.
 El laminado en frío hace más resistente el metal y permite unas tolerancias más
estrechas del espesor. Además, la superficie del material laminado en frío está
libre de incrustaciones o copas de óxido y es generalmente superior a los
correspondientes productos laminados en caliente.
5
ESQUEMAS DE PROCESO Y SUS VARIANTES
 Una cinta metálica de espesor ℎ0 entra en el espacio de laminación y un par de rodillos giratorios la reduce
a un espesor ℎ𝑓 .
 La velocidad de la superficie de los rodillos es 𝑉𝑟 . La velocidad de la cinta aumenta desde su valor de entrada
𝑉0 conforme se mueve a través del espacio de laminación.
 La velocidad de la cinta es mayor a la salida del espacio de laminación y se denota como 𝑉𝑓 .
 Puesto que la velocidad de la superficie del rodillo rígido es constante, existe un deslizamiento relativo entre
el rodillo y la cinta a lo largo del arco de contacto en el espacio de laminación, 𝐿.
6
ESQUEMAS DE PROCESO Y SUS VARIANTES
En un punto a lo largo de la longitud de contacto (conocido como punto neutral
o punto no deslizante), la velocidad de la cinta es la misma que la del rodillo.
Los rodillos jalan el material hacia el espacio de laminación por medio de una
fuerza de fricción neta, por lo que ésta debe estar a la derecha. Esto también
significa que la fuerza de fricción que se ubica a la izquierda del punto neutral
debe ser superior a la de la derecha.
La reducción máxima posible se define como la diferencia entre los espesores
inicial y final de la cinta (ℎ0 − ℎ𝑓 ).
Se puede demostrar que es una función del coeficiente de fricción (𝜇) entre la
cinta y el rodillo y el radio del rodillo (𝑅) mediante la siguiente relación:
ℎ0 − ℎ𝑓 = 𝜇2 𝑅
cuanto más alta sea la fricción y más grande el radio del rodillo, mayor será la
reducción máxima posible.
7
ESQUEMAS DE PROCESO Y SUS VARIANTES
El trabajo empieza con un
lingote de acero fundido
recién solidificado.
La operación de
calentamiento se llama
recalentado y los
hornos en los cuales se
lleva a cabo se llaman
fosas de
recalentamiento.
Aún caliente, el lingote se
coloca en un horno donde
permanece durante muchas
horas, hasta alcanzar la
temperatura uniforme en
toda su extensión, para que
pueda fluir
consistentemente durante
el laminado
El lingote recalentado
pasa al molino de
laminación, donde se
lamina para convertirlo
en una de las tres
formas intermedias
llamadas lupias, tochos
o planchas.
8
ESQUEMAS DE PROCESO Y SUS VARIANTES
Una plancha se lamina
a partir de un lingote o
de una lupia y tiene
una sección
rectangular de 250 mm
(10 in) de ancho o más,
y un espesor de 40 mm
(1.5 in o más).
Una lupia tiene una
sección transversal
cuadrada de 150 X 150
mm (6 X 6 in) o mayor.
Un tocho se lamina a
partir de una lupia y es
cuadrado, con
dimensiones de 40 mm
(1.5 in) por lado o
mayor.
Algunos productos de acero hechos en molino de
laminación.
9
ESQUEMAS DE PROCESO Y SUS VARIANTES
Las lupias se laminan para
generar perfiles
estructurales y rieles para
ferrocarril.
Los tochos se laminan para
producir barras y varillas.
Estas formas son la materia
prima para el maquinado,
estirado de alambre, forjado y
otros procesos de trabajo de
metales.
Las planchas se laminan
para convertirlas en placas,
láminas y tiras.
Las placas laminadas
en caliente se usan para la
construcción de barcos,
puentes, calderas, estructuras
soldadas
para maquinaria pesada,
tubos y tuberías, y muchos
otros productos.
10
MAQUINAS Y MECANISMOS PRINCIPALES
• Maquinaria de laminación.
El elemento básico de este proceso es la estructura en la que residen y funcionan los
cilindros, que se denomina caja de laminación. El procedimiento de laminación en
función de los que se quiera lograr depende del tipo de cilindros, la cantidad de
cilindros y sus velocidades de giro, la distribución de las cajas y otros procesos mas
específicos.
11
MAQUINAS Y MECANISMOS PRINCIPALES
• Mecanismos principales.
Cilindros.
 Los cilindros se usan para darle la forma al material, su superficie no debe ser
demasiado dura como para que el material se desgaste y debe ser lo
suficientemente blanda como para que el material se deforme, para esto los
cilindros pueden ser de distintas aleaciones dependiendo del material a laminar.
 Los cilindros pueden ser planos (para obtener la forma de lamina) o pueden tener
surcos para convertir tochos en barras cilíndricas.
12
MAQUINAS Y MECANISMOS PRINCIPALES
Rodillos con comba, que
producen una cinta con
espesor uniforme,
Esquema de diversos arreglos de rodillos.
13
MAQUINAS Y MECANISMOS PRINCIPALES
Caja de laminación.
Se conoce como caja al conjunto básico de piezas que conforman un tren,
normalmente consiste en una estructura que sirve de chasis y de los cilindros internos
que moldean al material. Las cajas se sitúan una después de la otra a muy poca
distancia entre ellas, de esa manera, el material es laminado simultáneamente por mas
de una de cilindros.
14
MAQUINAS Y MECANISMOS PRINCIPALES
Cojinetes.
Los cojinetes son unos rodamientos, que encajados entre las ampuesas sujetan el cuello de
cada cilindro respectivo para permitir su giro. Las ampuesas con unas piezas desmontables, con
huecos en los que se alojan los rodamientos del cilindro, y se encargan de mantener en
posición los cilindros en su chasis (o castillete). Además, permiten que los cilindros de apoyo de
las cajas cuarto y los cilindros únicos de las cajas duo transmitan las fuerzas de laminación a los
rodamientos.
Clasificación de las cajas.
Las cajas pueden clasificarse según el numero de cilindros que poseen, así sean dos (duo), tres
(trio), cuatro (dos de apoyo y dos de trabajo), múltiples (casos con 12 o mas cilindros) y cajas
universales (con rodillos tanto horizontales como verticales, los rodillos verticales o
canteadores permiten modificar, aun mas, la forma final del material, permitiendo así la
creación de figuras mas complejas como las vigas).
15
MAQUINAS Y MECANISMOS PRINCIPALES
Distintos tipos de caja según su numero de rodillos y el sentido de avance de
estos.
Las distintas cantidades de cilindros permiten distintos procesos, por ejemplo, una caja
duo, puede laminar en 2 direcciones (adelante y atrás), pero una caja trio podría
laminar continuamente el material entre los 2 espacios que se forman (superior e
inferior), por arriba en una dirección y por debajo en la otra.
16
MAQUINAS Y MECANISMOS PRINCIPALES
En los casos de mas de tres cilindros, estos se dividen en cilindros de trabajo y de apoyo, esto significa
que solo dos rodillos trabajan en contacto con el material, mientras que los de apoyo están en
contacto con los rodillos de trabajo para así soportar mas la presión del material, dar mas estabilidad
a la caja y controlar mejor el proceso. Las cajas de cuatro rodillos y de tipo Sendzimir (rodillo de
racimo o de conjunto) son cajas centradas en el par de rodillos de trabajo, los cuales tiene un diámetro
inferior con respecto a los otros en los que se apoyan, dando la poca superficie de contacto estos
rodillos son ideales para las altas velocidades de laminación.
Caja de laminación
Zendzimir
17
MAQUINAS Y MECANISMOS PRINCIPALES
Trenes de laminación.
Los trenes de laminación son procesos continuos que permiten tratar un material
desde que sale del horno hasta antes de ser finalizado. Esto requiere, como se explico
anteriormente, que las cajas de laminación sean de variados tipos y de diferente
posición en el tren. Sin embargo hay otras maquinarias auxiliares al laminado de piezas
que permiten trabajar óptimamente la pieza, mencionadas a continuación:
o Bobinadoras
o Tijeras
o Carros extractores
o Rociadores
o Hornos de recalentado
18
PARAMETROS CLAVES PARA LA MANUFACTURA
• Fuerza, torque y requerimientos de potencia del laminado.
• Fuerza de laminado.
La fuerza de laminado en la laminación plana se puede obtener a partir de la formula
𝐹 = 𝐿𝑤𝑌𝑝𝑟𝑜𝑚 ( ecuación 1)
•
•
•
•
Donde:
L longitud de contacto entre el rodillo y la cinta
w la anchura de la cinta
𝑌𝑝𝑟𝑜𝑚 esfuerzo real promedio de la cinta en el espacio de laminación.
19
PARAMETROS CLAVES PARA LA MANUFACTURA
• La ecuación 1 es para una situación sin fricción, sin embargo puede obtenerse un
estimado de la fuerza real de laminado si se aumenta esta fuerza alrededor de 20%
para considerar el efecto de la fricción.
• El torque en la laminación es el producto de 𝐹 𝑦 𝑎. La potencia requerida por rodillo
se puede estimar suponiendo que 𝐹 actúa a la mitad del arco de contacto, por lo
que 𝑎 = L/2. Por lo tanto, la potencia total (para los rodillos) en unidades del S.I. es
• 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =
2𝜋𝐹𝐿𝑁
60,000𝑘𝑊
(ecuación 2)
• En donde 𝐹 esta en newtons, L esta en metros y 𝑁 son las revoluciones por minuto
del rodillo.
• 𝑃𝑜𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 =
2𝜋𝐹𝐿𝑁
33,000𝑘𝑊
(ecuación 3)
• En donde 𝐹 esta en libras, L esta en pies.
20
PARAMETROS CLAVES PARA LA MANUFACTURA
• En el laminado plano, se presiona el trabajo entre dos rodillos de manera que su
espesor se reduce a una cantidad llamada draft:
𝑑 = 𝑡0 − 𝑡𝑓 (ecuación 4)
• donde d = draft, mm (in); 𝑡0 = espesor inicial, in (mm); 𝑡𝑓 = espesor final, mm (in). El
draft se expresa algunas veces como una fracción del espesor del material inicial
llamada reducción
𝑟=
𝑑
𝑡0
(ecuación 5)
• donde r = reducción.
21
PARAMETROS CLAVES PARA LA MANUFACTURA
• El esfuerzo real experimentado por el trabajo laminado se basa en el espesor del
material antes y después del laminado. En forma de ecuación
𝜖 = 𝑙𝑛
𝑡0
𝑡𝑓
(ecuación 6)
• Se puede usar la deformación real para determinar el esfuerzo de fluencia promedio
𝑌𝑓 aplicado al material de trabajo en el laminado plano.
• El esfuerzo de fluencia promedio será útil para calcular las estimaciones de fuerza y
potencia en laminado.
𝑌𝑓 =
𝐾𝜖 𝑛
1+𝑛
(ecuación 7)
• Hay un límite para el máximo draft posible que puede alcanzar el laminado plano
con un coeficiente de fricción, dado por
𝑑𝑚𝑎𝑥 = 𝜇2 𝑅 (ecuación 8)
22
PARAMETROS CLAVES PARA LA MANUFACTURA
• donde 𝑑𝑚𝑎𝑥 = draft máximo, mm (in); 𝜇 = coeficiente de fricción y R = radio del
rodillo, mm (in). La ecuación indica que si la fricción fuera cero, el adelgazamiento
podría ser cero y esto haría imposible la operación de laminado.
• El coeficiente de fricción en el laminado depende de varios factores, como
lubricación, material de trabajo y temperatura de trabajo.
• En el laminado en frío el valor es alrededor de 0.1
• en el trabajo en caliente debajo de la temperatura de cristalización, un valor típico
es alrededor de 0.2
• y en el laminado en caliente arriba de la temperatura de cristalización 𝜇 es alrededor
de 0.4
• La longitud de contacto se puede aproximar mediante:
• 𝐿=
𝑅(𝑡0 − 𝑡𝑓 ) (ecuación 9)
23
• El momento de torsión en laminado se puede estimar suponiendo que la fuerza
ejercida por los rodillos se centra en el trabajo, conforme pasa entre ellos y actúa
con un brazo de palanca de la mitad de la longitud de contacto L. Entonces, el
momento de torsión para cada rodillo es:
• 𝑇 = 0.5𝐹𝐿 (ecuación 10)
• La potencia requerida para mover cada rodillo es el producto del momento de
torsión y la velocidad angular. La velocidad angular es 2N, donde N velocidad
rotacional del rodillo. Por lo tanto, la potencia en cada rodillo es 2NT.
• 𝑃 = 2𝜋𝑁𝐹𝐿 (ecuación 11)
• donde P potencia, J/s o W (in-lb/min); N velocidad de rotación 1/s (rev/min); F
fuerza de laminado, N (lb); L longitud de contacto, m (in).
24
CALCULOS PRINCIPALES
25
Problemas frecuentes y soluciones
• Consideraciones geométricas.
• Los rodillos sufren cambios de forma durante la laminación debido a las fuerzas que
actúan sobre ellos.
• las fuerzas de laminado tienden a doblar los rodillos elásticamente durante la
laminación.
• Debido al doblado de los rodillos, la cinta laminada tiende a ser más gruesa en el
centro que en los extremos (corona). El método usual para evitar este problema
consiste en rectificar los rodillos de manera que el diámetro en su centro sea un
poco más grande que en sus extremos (comba). Entonces, cuando el rodillo se
dobla, la cinta que se está laminando tiene un espesor constante a lo largo de su
anchura.
26
Problemas frecuentes y soluciones
• Ensanchado.
• con relaciones más pequeñas (como una cinta con una sección transversal
cuadrada), la anchura aumenta de manera significativa conforme pasa a través de
los rodillos. A este incremento en la anchura se le conoce como ensanchado
• Se puede demostrar que el ensanchado aumenta con (a) la disminución de la
relación anchura a espesor de la cinta de entrada (debido a la reducción en la
restricción de la anchura), (b) el aumento de la fricción, y (c) la disminución de la
relación del radio del rodillo al espesor de la cinta. También puede evitarse el
ensanchado mediante rodillos adicionales (con ejes verticales) en contacto con los
extremos del producto laminado en el espacio de laminación (molinos de
rebordeado), aportando así una restricción física al ensanchado.
27
Problemas frecuentes y soluciones
• Vibración y traqueteo.
• En la laminación causa variaciones periódicas en el espesor de la hoja laminada y en
su acabado superficial y, por lo tanto, puede provocar desperdicios excesivos.
• En la laminación, se ha encontrado que el traqueteo ocurre predominantemente en
los molinos compuestos; es muy perjudicial para la productividad.
• se ha sugerido que el traqueteo puede reducirse si aumenta la distancia entre los
soportes del molino de laminación, se incrementa la anchura de la cinta, disminuye
la reducción por pase (espacio de laminación), aumentan tanto el radio del rodillo
como la fricción entre la cinta y el rodillo, y se incorporan amortiguadores en los
soportes de los rodillos.
28
Problemas frecuentes y soluciones
• Defectos en placas y hojas laminadas.
• Los defectos son indeseables no sólo porque degradan la apariencia de la superficie,
sino también porque pueden dañar la resistencia, formabilidad y otras
características de fabricación. Se han identificado diversos defectos de superficie
(como cascarilla, oxidación, raspaduras, estrías, picaduras y grietas) en las láminas
metálicas.
Esquema de defectos típicos en
laminación plana: a) bordes
ondulados; b) grietas en forma
de cremallera en el centro de la
cinta; c) grietas en los bordes; d)
acocodrilado
29
Problemas frecuentes y soluciones
• las grietas mostradas obedecen a la deficiente ductilidad de un material a la
temperatura de laminación. Puesto que la calidad de los bordes de la hoja puede
afectar las operaciones de formado de las láminas metálicas, con frecuencia se
eliminan los defectos de los extremos en las hojas laminadas mediante operaciones
de cizallado y recortado.
30
Ejemplos reales de productos
• Laminado de formas
• Las formas estructurales rectas y largas (como canales, vigas I, rieles de vías férreas y
barras sólidas) se forman a temperaturas elevadas mediante laminado de formas
(laminado de perfiles)
31
Ejemplos reales de productos
• Laminado oblicuo
• se utiliza generalmente para hacer rodamientos de bolas, el alambrón o la barra
redonda se introducen en el espacio de laminación y se forman de manera continua
piezas brutas casi esféricas por la acción de los rodillos giratorios.
32
Ejemplos reales de productos
• Laminado de roscas.
• es un proceso de formado en frío por medio del cual se forman roscas rectas o
cónicas en barra redonda o alambrón, al pasarlas entre matrices. Las roscas se
forman en la barra o alambrón con cada paso por un par de matrices planas
reciprocantes.
33
Ejemplos reales de productos
• Laminado de tubos.
• El diámetro y espesor de los tubos y la tubería se puede reducir mediante el
laminado de tubos, que utiliza rodillos con forma.
34
Video explicativo
35
Bibliografía.
• [1] Manufactura, Tecnología e Ingeniería, 5ta edición S.
Kalpakjian, S. R. Schmid
• [2] Fundamentos de Manufactura Moderna, 3ra edición Mikell
P. Groover.
• [3] Procesos de Manufactura 3ra edición John A. Schey.
• [4] es.slideshare.net
36