ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez ÍNDEX 1.- Presentació………………………………………………………………………….3 2.- Introducció………………………………………………………………………….3 2.1.- Normativa General………………………………………………………..5 2.2.- Introducció a l’acer..……………………………………………………...7 2.3.- Esquema del tractament del material, de matèria primera a producte acabat……………………………………………………………………………….......9 3.- Procés de laminat…………………………………………………………………..11 3.1.- Esquema d’un laminador plà......................................................................12 3.2.- Laminat en calent i laminat en fred............................................................12 3.2.1- Laminat en calent.........................................................................12 3.2.1.1.- Disseny.........................................................................14 3.2.1.2.- Utilització.....................................................................14 3.2.2.- Laminat en fred...........................................................................15 3.2.2.1.- Disseny.........................................................................18 3.2.2.2.- Utilització.....................................................................19 3.3.- Efectes de la laminació (dades empíriques)...............................................19 4.- Materials i aplicacions d’acer laminat.......................................................................20 5.- Operacions complementàries al laminat de xapa d’acer ..........................................23 6.- Curiositats sobre laminació………………………………………..…….................26 7.- Conclusions…………………………………………………...............……………26 8.- Bibliografia................................................................................................................28 Página 2 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez 1.- Presentació He tractat de donar una visió pràctica a aquest document, lluny de limitar-me a fer un resum de la moltíssima teoria que es pot trobar sobre el tema als llibres a què tinc accés, m’he basat en dades de la realitat industrial d’avui dia, com ara catàlegs i contactes personals. He cregut convenient centrar-me en un tema tan concret i aparentment senzill, perquè he comprovat, durant l’estudi per aquest treball, que la realitat del funcionament d’una linia de laminació té en compte trets dels materials que, encara que no semblen importants, son crítics a l’hora de treballar amb metalls. Indicar, per últim, que vaig tenir el plaer de treballar fent tasques de manteniment a Gradhermetic, una empresa de Terrassa que fabrica persianes d’alumini, i disposa d’una linia de laminat, pintat i barnissat d’aquest metall, cosa que m’ha facilitat l’assimilació i triatge de tota la informació que ha passat per les meves mans durant l’elaboració d’aquest document. 2.- Introducció La laminació és el procés d’ajust de la forma d’un material basat en la deformació dels grans de què està format per modificar, també, les seves propietats mecàniques. Aquest treball el fan els laminadors. La forma més senzilla d’un laminador són dos corrons per entre els quals es fa passar una peça plana per treure’n una peça més llarga i prima. Però, si els corrons ténen formes adeqüades, pot ser fruit de la laminació una peça directament aplicable a la indústria. Si després d’una passada, els corrons treballen perpendicularment a com ho han fet abans i en unes altres condicions podem obtenir, per exemple, cilindres: Página 3 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez Per poder aprofondir en els detalls de la laminació i no fer massa extens aquest document, em limito a parlar de la laminació plana amb les seves variants i complements. La laminació plana és un mètode de mecanitzat fet servir per ajustar les característiques físiques i mecàniques de metalls en làmines. Aquest procés metal·lúrgic es pot realitzar amb diversos tipus de màquines (laminadors). L’elecció del tipus de laminador i la configuració del mateix (número i posició dels corrons, sistemes de refredament i control…) vé determinat pel tipus de làmina que es vol obtenir (gruix i longitud) i de la naturalesa i característiques del metall. La màquina més senzilla és de simples corrons, per entre els quals s’introdueix el metall, que es deforma fins obtenir el gruix desitjat, obtenint calor en el procés de deformació. El producte final de la laminació pot presentar-se en grups de xapes de tamanys normalitzats, o de bobines en les que la làmina s’enrotlla en un cos, també sota mides normalitzades. Així, un dels materials d’origen per fer materials d’alumini poden ser residus d’envassos (llaunes), que el forn farà llingots aptes per ser laminats en calent: Residus d’Alumini per tractar / Llingots d’Alumini per a laminació en fred. Amb la transformació, obtindrem làmines d’on, per exemple, podrem fabricar arandeles, slugs, sostres, material d’automoció… Página 4 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez Bobines d’Alumini laminat en fred / Arandeles d’Alumini En aquest exemple, haurem passat per la laminació en calent i posterior laminació en fred, a més de tractaments d’acabat adients a cada finalitat. És important diferenciar les làmines que es poden obtenir directament de la colada de metall per mitjà de guies i motllos, de les làmines que han estat laminades. En el primer cas, no hem modificat la estructura consolidada d’un metall, només hem deixat que formi la estructura que la seva natura indica en les condicions que proporcionem. En el cas de la laminació, aquesta estructura naturalment formada es veurà alterada per la intervenció de forces provocades i produiran un desplaçament dels cristalls, deformació dels grans del material i un escalfament del material. 2.1.- Normativa General És evident que, com a la resta del món industrial, la siderúrgica també té una base reglada per la legislació de cada païs per tal d’homogenitzar mides, qualitats, i tots els trets que fan posible l’enteniment entre empreses i entre països. Donada l’antiguitat d’aquesta indústria i el conseqüent domini dels treballs de metalls, unit al bon coneixement que es té sobre comportament de materials, aplicacions i tècniques de control, els organismes elaboradors de normes (CEN, CENELEC, ETSI, a nivell europeu i AENOR a Espanya) han implantat, entre d’altres, les normes següents: EN 10088-2:2005 EN 10088-3:2005 EN 10107:2005 EN 10163-1:2004 EN 10163-2:2004 EN 10163-3:2004 Aceros inoxidables. Parte 2. Condiciones técnicas de suministro para chapas y bandas de acero resistentes a la corrosión para usos generales. Aceros inoxidables. Parte 3. Condiciones técnicas de suministro para productos semiacabados, barras, alambrón, alambre, perfiles y productos brillantes de aceros resistentes a la corrosión para usos generales. Chapas y bandas de acero de grano eléctricamente orientado en estado final de suministro Condiciones de suministro relativas al acabado superficial de chapas, bandas, planos ancho y perfiles de acero laminados en caliente. Parte 1. Generalidades. Condiciones de suministro relativas al acabado superficial de chapas, bandas, planos ancho y perfiles de acero laminados en caliente. Parte 2. Chapas y planos anchos. Condiciones de suministro relativas al acabado superficial de chapas, bandas, planos ancho y perfiles de acero laminados en caliente. Parte 3. Perfiles. Página 5 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS EN 10164:2004 EN 10169-3:2003 EN 10184:2006 EN 10292:2000/A2:2004 EN 10318:2005 EN 10326:2004 EN 10327:2004 EN 10328:2005 EN 10333:2005 EN 10334:2005 EN 10335:2005 EN ISO 4545-2:2005 EN ISO 4934:2003 EN ISO 6506-4:2005 EN ISO 6507-4:2005 EN ISO 6508-1:2005 EN ISO 14284:2002 EN ISO 15349-2:2003 Conrado Rodríguez Aceros de construcción con resistencia mejorada a la deformación en la dirección perpendicular a la superficie del producto. Condiciones técnicas de suministro. Productos planos de acero, recubiertos en contínuo de materias orgànicas (prelacados). Parte 3. Productos para aplicaciones de construcción interior. Análisis químicos de materiales férreos. Determinación del fósforo en acero no aleado y en hierro. Método por espectrofotometría del azul de molibdeno. Bandas (chapas y bobinas) de acero de alto límite elástico, galvanizadas en contínuo por inmersión en caliente para conformación en frio. Condiciones técnicas de suministro. Determinación del espesor y de la composición química de revestimientos metálicos a base de zinc y aluminio. Método rutinario. Chapas y bandas de acero estructural revestidas en continuo por inmersión en caliente. Condiciones técnicas de suministro. Chapas y bandas de acero bajo en carbono para conformado en frio revestidas en contínuo por inmersión en caliente. Condiciones técnicas de suministro. Productos siderúrgicos. Determinación de la profundidad efectiva de endurecimiento tras calentamiento superficial. Acero para embalaje. Productos planos de acero para uso en contacto con alimentos, productos y bebidas para consumo humano y animal. Hojalata. Acero para embalaje. Productos planos de acero para uso en contacto con alimentos, productos y bebidas para consumo humano y animal. Acero no recubierto (chapa negra). Acero para embalaje. Productos planos de acero para uso en contacto con alimentos, productos y bebidas para consumo humano y animal. Acero no aleado recubierto de cromo. Materiales metálicos: ensayo de dureza Knoop Parte 2: verificación y calibración de las máquinas de ensayo (ISO 4545-2-2005) Hierro y acero. Determinación del contenido en azufre. Método gravimétrico. Materiales metálicos. Ensayo de dureza Brinell. Parte 3. Calibración de los bloques de referencia. Materiales metálicos. Ensayo de dureza Vickers. Parte 4: Tablas y valores de dureza. Materiales metálicos. Ensayo de dureza Rockwell. Parte 1: Método de ensayo (escalas A, B, C, D, E, F, G, H, K, N, T) Aceros y fundiciones. Toma de muestras y preparación de las mismas para la determinación de la composición química. Acero no aleado. Determinación de contenidos bajos en carbono. Parte 2: Método de absorción por infrarrojos tras la combustión en un horno de inducción (con precalentamiento). Aquesta és una mostra triada a l’atzar per donar una idea del punt de control que s’ha assolit en el treball de metalls i el nivell de detall que està normalitzat. L’Institut del Ferro i l’Acer (IHE) adopta la següent classificació que està inclosa a les normes UNE: Aleacions férriques: F Aleacions lleugeres: L Aleacions de coure: C Aleacions varies : V Productes sinteritzats: S Sobre l’acer, material triat com a referència en aquest treball per parlar de la laminació plana, la norma UNE 36001 clasifica les aleacions de ferro segons les denominades series F: acers F100 a F700, fundicions F800 i altres aleacions férries F900. Segons aquesta norma, els acers es clasifiquen en: F100 F110 F120 F130 Acers per a la construcció: engloba la majoria d’acers d’ús genèric Acers al carboni. Aquesta és la més genèrica de totes. Acers aleats de temple i revingut: soporten grans esforços. Acers per a rodaments : el seu alt contingut en Cr els fan resistents al fregament Página 6 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS F140 F150 F170 F200 F210 F220 F230 F240 F250 F300 F310 F400 F410 F430 Conrado Rodríguez Acers per a molles : presenten elevada elasticitat. Acers de cimentació: es fan servir a la construcció d’engranatges per la seva resisténcia i tenacitat. Acers de nitruració i cianuració: són durs per fora i tenaços per dintre Acers especials. Presenten certes propietats concretes. Acers de fàcil mecanitzat. Acers de fàcil soldadura Acers amb propietats magnètiques. Acers d’alta i baixa dilatació Acers de resistencia a la fluencia Acers inoxidables i anticorrossió Acers inoxidables Acers d’emergencia. Presenten alta resistència a certs factors. Acers d’alta resistència: soporten més de 7000 kp/cm2 Acers per cimentar Així, els proveïdors de metalls laminats en bobines o planxes, ja anuncien als catàlegs que es poden assolir les mides demanades per altres païssos, com ara les exigències del govern Xilè, que poso per exemple: Bobines d’acer laminat en fred , qualitat SAE-1006, composició química : 0,06C 0,200,35Mn 0,025P 0,025S 0,04Cr, i mides : 0,4x895, 0,5x605, .... , 0,86x1090 I també indiquen les normes en les quals es basa el seu treball de laminació (per exemple, Hoesch especifica : DIN EN 10048 i DIN EN 10051). 2.2.- Introducció a l’acer Acer és una aleació de ferro-carboni forjable, amb percentatges de carboni variables entre 0,008 i 2,14%. Es distingueixen de les fundicions (també aleacions de ferro i carboni) en que aquestes ténen una proporció de carboni que pot variar entre 0,5 i 2%, encara que la majoria de les fundicions comercials no superen l’1,8% de carboni. A partir del 2% de carboni, l’aleació es denomina fundició o arrabi. La densitat mitjana de l’acer és 7850 kg/m3. L’estructura de l’acer es composa d’una barreja de fases, amb diverses propietats mecàniques. Les proporcions d’aquestes fases i les seves composicions seràn determinants del comportament d’aquest material. Aquestes fases s’obtenen a temperatura ambient per mitjà de velocitats de refredament: Ferrita: es blanda i dúctil, és estable fins als 721ºC. Austenita: és la més dúctil de les fases del diagrama. Página 7 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez Cementita: compost intermetàlic de fórmula Fe3C, amb un contingut de carboni de 6,67%. És dura i fràgil. Perlita : microconstituient eutectoide que es forma als 727ºC a partir d’austenita amb 0,77% C. És una barreja bifàsica de ferrita i cementita de morfologia laminar. Les seves propietats es troben entre les de la ferrita blanda i la cementita dura que la composen. A més d’aquestes fases, que es troben en equilibri, existeixen fases fora d’equilibri, que s’obtenen per templament (refredament ràpid) i revingut (reescalfament sostingut). Aquestes fases són martensita i bainita, que són durs i fràgils. Cal destacar la importància de les impureses, que són: Sofre: límit màxim permés: 0,04%. El sofre forma sulfur, que amb l’austenita forma un eutèctic de baix punt de fussió, que apareix en grans. Surten defectes de desgranaments del material. S’elimina afegint manganés. Fósfor: Limit màxim permés: 0,04%. Disminueix la ductilitat i forma esteadita, un eutèctic molt fràgil i de baix punt de fussió. Alumini: S’afegeixen petites proporcions d’alumini per mantenir constants les propietats mecàniques, sobretot en llargs temps d’enmagatzematge (calmat a l’alumini). Niquel : millora la resistència, ductilitat i resistència a la corrossió. Crom, Molibdè i Volframi : afavoreixen la resistència a la corrossió. Ja hem vist a l’apartat anterior que la norma UNE 36001 classifica els acers en les sèries F. Existeixen, no obstant, altres classificacions dels acers segons la seva composició química, estat natural o aplicació: Classificació dels acers segons la seva estructura en estat d’utilització: - Acers ferrítics: (A) 15-18% de Cr i màxima de 0,12% de C. Resistència a la corrossió millor que els martensítics. (B) 20-80% de Cr i 0,35% de C. (C) acers al cromalumini, fins un 4% més resistents a la oxidació. - Acers martensítics: Gran duresa quan es refreden ràpidament un cop austenitzats. (A) 12-14% de Cr, 0,2-0,5 de C, utilitzat a ganivets. (B) 16-18% de Cr, 0,6-1; 20% C. Resistents a la corrossió i al desgast. Exemple normalitzat: AISI-311: acer inoxidable extra dolç. (C) menys del 0,1% C, 13% Cr i 0,30% Ni, resistent a la corrossió atmosférica, de l’aigua corrent i dels àcids i bases febles. - Acers austenítics: Baixa conductivitat calorífica, molt dúctil i resistent a la corrossió atmosfèrica, de l’aigua de mar, certs àcids minerals i orgànics. Son els acers més utilitzats. Tenen estructura austenítica a qualsevol temperatura. Tipus normalitzat: AISI 314 Acer inoxidable al crom niquel conegut com 18/8. Conté 0,08% C, 18%, 9% Ni. Página 8 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez 2.3.- Esquema del tractament del material, de matèries primeres a producte final. Página 9 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Página 10 de 29 Conrado Rodríguez ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez 3.- Procés de laminat Forn de precuit d’alumini en llingots per a laminació en fred. Un lingot de metall, com el que mostra la figura (d’alumini), té un ús molt reduït fins que és donada una forma tal que pugui fer-se servir en manufactura. Si el lingot és admés en fred, es torna prou dificil, si no imposible, convertir el material per mitjans mecànics en una forma estructural, barra o làmina. No obstant, si el lingot es treballa en calent, es pot prensar, rolar o extruir en altres formes. Degut a la desoxidació i altres avantatges del treball en calent a temperatura elevada, la majoria dels metalls ferrossos es treballen en fred o es terminen en fred després del treball en calent per obtenir un bon acabat superficial, alta exactitud dimensional i millorar les propietats mecàniques. Una dada interessant i que ens ajuda a entendre el per què de la laminació la trobem en la definició d’alumini al diccionari de química, on especifica: Resistència a la tracció (recuit): 476 kg/cm2; laminat en fred: 1120 kg/cm2. Els dos tipus de laminadors que existeixen, segons una classificació molt senzilla, son: en calent i en fred. Página 11 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez 3.1.- Esquema elemental d’un laminador plà Alimentació Cap a altres tractaments Laminació Equip de refrigeració Val a dir que aquest esquema és molt simplista. Els laminadors poden ser reversibles, cosa que faria que la fletxa cap a “altres tractaments” es convertís, a una segona passada, en l’alimentació del procés, i l’alimentació del nostre esquema, en la sortida cap a tractaments posteriors. També es pot donar que hi hagui un altre laminador en linia amb el primer, cosa que faria de la sortida cap a altres tractaments una alimentació d’aquest segon laminador. 3.2.- Laminat en calent i laminat en fred. El laminat en calent té per objectiu fer d’un lingot, una xapa que es pugui manipular amb més facilitat, però d’un gruix amb menys aplicacions pràctiques. El laminat en fred, produeix una làmina de millor qualitat i susceptible d’assolir productes finals o intermedis sempre per mitjà de tractaments siderúrgics posteriors. … En quant a les diferències de disseny dels laminadors, degut al seu diferent objectiu, trobem certes diferències, que tracto a continuació. 3.2.1- Laminat en calent L’efecte del treball en calent per mitjà del laminat, és el refinament del grà causat per recristal·lització. A la figura següent es mostra gràficament com l’estructura gruixuda és definitivament desplaçada i allargada per l’acció del laminat. Degut a l’elevada temperatura, la recristal·lització apareix inmediatament i comencen a formarse petits grans. Aquests grans creixen ràpidament fins que la recristal·lització és Página 12 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez complerta. El creixement de grans continúa fins que la temperatura baixa del rang recristal·lí. Els arcs AB i A’B’ son arcs constants sobre els corrons. L’acció d’acunyadura a l’elaboració és superada per les forces de fregament que actúen en aquests arcs i arroseguen al metall a traves dels corrons. El metall emergeix dels corrons a més velocitat de la que entra. A un punt mig entre A i B la velocitat del metall és la mateixa que la velocitat periférica del corró. La majoria de la deformació té lloc al gruix, encara que hi ha algun increment a l’ample. La uniformitat de la temperatura és important a totes les operacions de laminat, donat que controla el fluxe del metall i la plasticitat La majoria dels laminats primaris es fan, o bé en un laminador reversible de dos corrons o a un laminador de rolat continu de tres corrons. Al laminador reversible de dos corrons (fig.3a), la peça passa a través de dos corrons, que son detinguts i retornats en sentit contrari una i altra vegada. A intèrvals freqüents el metall es fa girar 90º sobre el seu costat per conservar la seva secció uniforme i refinar el metall completament. Els corrons superior i inferior estan provistos de ranures per allotjar les diferents reduccions de la secció transversal de la superficie. El laminador de dos corrons es molt versàtil, donat que té un ampli rang d’ajust segons el tamany de les peces i la relació de reducció. Està limitat per la longitud que pot laminar-se i per les forces d’inercia, que deuen ser superades cada cop que es fa una inversió. Aixó s’elimina al laminador de tres corrons (fig.3C), però es requereix un mecanisme elevador. Encara que existeix alguna dificultat degut a la caréncia de velocitat correcta per a totes les passades, el laminador de tres corrons es menys costós per fabricar-se i té un rendiment més gran que el laminador reversible. Página 13 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez Les dimensions que tractem, laminant en calent, aniran de 10 cm de gruix a 0,1 cm, en planxes de fins a 2,5 m d’amplada i parlant d’acer. La seva longitus podrà ser augmentada de 4 a 370 m. 3.2.1.1.- Disseny - - - - El cos principal té dos corrons (duo) en calent, que han estat tractats especialment per resistir altes temperatures. La magnitud del tractament vé donada per la separació entre els corrons, que està preestablerta per al tipus de material a tractar i el seu tamany inicial i final, s’ajustarà després de cada passada. La refrigeració del material laminat pot fer-se amb emulsions1 (aigua i olis) de baix cost, ja que, encara que afecta a l’acabat del producte laminat, no és necessari un acabat molt pulit. Això es pot aplicar a acer, alumini, etc… A simple vista, un laminador en calent és una línia llarga, ja que no pel fet d’haver passat d’un lingot a una làmina llarga significa que pot començar a enrollar-se i formar la bobina, cosa que només passa una vegada amb cada producte, és a dir, quan el lingot té la llargada adeqüada, es fa la bobina. D’un lingot de 3 m de llargada com el que hi ha a la foto de la pàgina 2 o 4 passarem a tenir 500 m de xapa de metall laminat2 (alumini, en aquest cas). Els transportadors d’aquests laminadors poden mesurar més de 1 km de longitud. Existeix la posibilitat d’incorporar tractaments previs de decapat amb àcid sulfúric o hidroclòric per eliminar les costres superficials. Aquests tractaments estàn dissenyats per treball en continu. Les velocitats de treball que oferten els catàlegs actualment parlen de 360 m/minut. També hi ha sistemes de decapat previ amb aire comprimit o apartant mecànicamentles costres de la superficie. 3.2.1.2.- Utilització Els punts crítics durant la utilització d’un laminador en calent són, bàsicament, els indicats a continuació: - Control de gruix : cada passada es fa a un gruix (distància entre corrons) inferior al de la passada anterior. 1 2 La més comú d’aquestes emulsions és l’anomenada “taladrina”. Dades empíriques documentades amb informació extreta durant la posada en marxa de l’equip. Página 14 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS - - - - Conrado Rodríguez Un cop assolit el gruix que permet la formació de la bobina, es forma aquesta i termina el procés. El següent pas serà el forn de recuit. L’amplada del llingot és la mateixa que la de la bobina, com a conseqüència de les direccions de desplaçament del material proporcionades pels corrons. Escalfament previ dels corrons per homogenitzar temperatures. Per evitar que els corrons es trenquin en entrar en contacte amb el material a laminar (calent) són preescalfats mitjançant el funcionament dels corrons sense càrrega amb un bany d’emulsió lubrificant calent. Escalfament previ a l’aturada del laminador. És un punt crític perquè els corrons son peces massisses de metall (acer F-5227 X100 CrMoV5 segons UNE 360182:1994)3 i no poden passar de temperatura de treball a la temperatura ambient, ja que es trencarien. Per evitar això, es repeteix el pas anterior, es fan rodar els corrons amb una dutxa d’emulsió lubrificant en calent que provocarà un descens molt menys brusc de la temperatura. Perfecte paral·lelisme entre corrons durant el laminat (i no sempre abans). Si no s’assoleix, es produeix una distorssió a les forces que exerceixen els corrons de laminació i això provocarà desajustos a la direcció del laminat. La xapa es desviarà i caldrà reprocessar-la. Correcte rectificat dels corrons: el paral·lelisme perfecte entre corrons ha d’existir només durant el laminat. En fred i sense les tensions existents durant la laminació, els corrons mostren una asimetría a la línia recta virtual que es pot dibuixar entre ells. Aquesta falta de paral·lelisme serà compensada durant la laminació, i tot i que és molt petita (qüestió de micres en un corró de 1,5 m) dista molt de ser menyspreable. Això és un reflexe de la gran força que s’exerceix sobre els corrons per mitjà d’equips d’apretament de gran potència (veure dades de l’apartat 4.3) 3.2.2.- Laminat fred Com he comentat abans, l’objectiu d’aquesta laminació és aconseguir un material de millor qualitat. Això vol dir més llis i fi de xapa, homogeneitat i per tant més compatibilitat amb tractaments posteriors, com ara pintat, tall, aplanadores... Això explica perquè són els laminadors en fred els que disposen de més dispositius auxiliars, com ara controls d’amplada de banda, sistemes de tall longitudinals, sistemes de detecció d’irregularitats superficials, etc… que no formen part de la laminació estrictament estudiada, però s’hi han incorporat a la linia de laminació. Com a conseqüència de la millor qualitat que s’ha d’assolir i a diferència de la laminació en calent, els corrons de recolzament seràn netejats mitjançant rascadors per eliminar impureses. 3 També s’utilitza F520A (X210 CrMoV12), de la mateixa norma, duresa Brinell mínima de 62. Página 15 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez La tensió que s’hi exerceix sobre el material que s’està laminant és regulada per mitjà d’un sistema de mesura de gruix de xapa a la sortida dels corrons de laminació. Aquests mesuradors de gruix es troben als dos costats dels corrons de laminació, ja que el sentit de laminat varia a cada passada. Per tant el mesurador que regula la força a exercir sobre el material a laminar varia alternativament. El corró d’alimentació exercirà una tensió en sentit contrari al de la direcció de laminat (proporcionada pels corrons). Els corrons de laminació, que determinen la direcció de la laminació, provoquen la tensió en el sentit de la laminació. Per últim, el corró enrotllador aporta una tensió en el sentit de la laminació, no es limita a recollir el material laminat. Com que durant la laminació s’incrementa la temperatura als corrons i del propi metall, es fa servir una refrigeració que mulla el material abans de passar pels corrons i els propis corrons. Així, com a conseqüència del sentit alternatiu de laminació, també la refrigeració es va alternant d’un costat a l’altre del laminador per mantenir el xorro a l’alimentació del laminador. Una de les equacions empíriques més comú que descriu el comportament plàstic d’un acer al carboni, degut a que ajusta d’una forma més satisfactòria i simple els esforços i deformacions és l’equació de Hollomon: σ = σ 0 εm on σ és l’esforç real; σ0 i m són el coeficient i l’exponent d’enduriment per deformació de Hollomon, respectivament i ε és la deformació real. Un exemple d’aplicació d’aquesta equació: Pletina d’acer al carboni AISI 1040 (0,400% C, 0,780 Mn, 0,360% Si) de 2440 mm x 100 mm x 16 mm recocció a 800ºC durant 2 hores. Laminat en sistema universal d’assaigos MTS 810, de 25 tones de capacitat, a 3 mm/min i les condicions de la norma ASTM E8 M-91. Número de passada 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Deformació plàstica per laminació 0,019 0,032 0,042 0,056 0,073 0,119 0,138 0,165 0,200 0,256 Amb l’equació de Hollomon podem arribar a preveure la resistència a la fruència amb un error de fins un 3%. A continuació mostro unes fotos de laminadors en fred d’alumini, on es pot veure que no entra un lingot, com era el cas de la laminació en calent, sinó que entra una Página 16 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez bobina que ja ha estat tractada. La última d’aquestes fotos pot ser interessant, també, perquè es veu com, en ser un laminador reversible, hi ha dos panells de control perque l’operari es posi sempre en el costat on va sortint la xapa i pugui detectar anomalíes visualment. Laminador d’alumini en fred Laminador d’alumini en fred Página 17 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez Laminador d’alumini en fred. 3.2.2.1.- Disseny - - - - Té 4 corrons de treball. A simple vista es veu que és un sistema curt, bàsicament dos enrolladorsdesenrolladors, que tenen el sistema de laminació al mig, no és necessaria una gran superficie per treballar, a diferència de la laminació en calent. En aquest cas el material a laminar és sotmés a tensions longitudinals produides per l’enrollador i el desenrollador. La magnitud del tractament vé determinada per la pressió que exerceix el cilindre inferior (corró de pressió o de treball), sobre el material (mesurada per mitjà de la pressió que arriba al corró superior o corró de recolzament). Aquest laminador ha de tenir raspalls que netejin els corrons amb cada volta, ja que no podem permetre que hi hagui restes de bruticia o contaminants a la xapa o als corrons. El refrigerant del material laminat és un compost amb querosè, en el cas de l’alumini i la barreja d’aigua i olis en el cas dels acers. Es pot considerar l’adaptació de procesos intermitjos, com ara perfiladores, que ajusten l’amplada de la banda a la desitjada. O processos posteriors encadenats per donar un acabat mecànic més específic per al propòsit final: cizallament, tall longitudinal, premsat, barnissat, pintat… Página 18 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez 3.2.2.2.- Utilització - - - Control de la refrigeració: si no s’aconsegueix una refrigeració homogénea al material entrant, es produeix una deformació localitzada al corró de laminació. Com a conseqüència el material és laminat en excés en aquesta part de la linia i en sortir presentarà defectes tipus ones. Els laminadors actuals disposen de reguladors de cabdals per a cadascun dels difusors de refrigerant a l’alimentació del procés i és un dels paràmetres que son controlats pels operaris del laminador, que com ja he comentat, estàn a la sortida del material laminat. Ja existeixen sistemes de control d’homogeneitat en superficies planes en moviment aplicables a aquests casos. La temperatura de refrigeració no pot superar els 100ºC (evidentment no es fa amb aigua), ja que el refrigerant que es fa servir és un compost amb querosè, fàcilment inflamable. Es fa servir per les seves propietats lubricants i la seva idoneitat per intervenir a nivell de grà entre el metall del corró i el material laminat. Aquest control de temperatura de la refrigeració es fa un cop ha dutxat el líquid el punt a refrigerar, que té una temperatura més elevada, de forma que quan es fa aquesta mesura de temperatura del líquid de refrigeració, ja s’ha produït la refrigeració i ha guanyat temperatura. En cas d’aturada accidental durant la laminació, la tensió que exerceixen els corrons sobre el material, tallen la xapa, ja que la tensió no és absorbida per la laminació en no circular la xapa. 3.3.- Efectes de la laminació (dades empíriques) Dades extretes durant la laminació d’un acer a un laminador en fred reversible de 4 corrons i regulació automàtica de pressió, amb un tamany de corró de recolzament de 1000 mm de diàmetre, corró de treball de 380 mm de diàmetre i una amplada del corró de 1480 mm. Força (Tn) T(ºC)reg laminador per emulsió P(bar) a la central hidràulica Velocitat mitjana (m/min) Ampers motor 37,9 800 56 150 100 1000 34,8 800 55 160 175 950 34,6 750 55 160 150 900 Nº de mm % passada (inicial/final) Reducció 1 2 3 2,000 1,243 1,243 0,810 0,810 0,530 Página 19 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS 4 5 0,530 0,350 0,350 0,250 34,0 750 55 160 300 700 28,6 750 56 160 250 500 Força (Tn) T(ºC)reg laminador per emulsió P(bar) a la central hidràulica Velocitat mitjana (m/min) Ampers motor 40,0 800 56 160 100 1000 38,3 850 54 150 150 950 35,1 800 54 150 220 900 37,5 750 54 160 250 500 36,7 1100 54 160 220 500 Nº de mm % passada (inicial/final) Reducció 1 2 3 4 5 2,000 1,200 1,200 0,740 0,740 0,480 0,480 0,300 0,300 0,190 Conrado Rodríguez Cal observar que cada cop és més dificil perdre gruix de la xapa, l’enorme força que fan els corrons sobre el metall i la velocitat a la què circula el material. En el segon cas, hem disminuit el gruix del material 10 vegades, per tant, la llargada també ha estat augmentada 10 vegades en aquestes 5 passades. 4.- Materials i aplicacions d’acer laminat Planxes gruixudes Es laminen en forma individual o a través de planxes més gruixudes, i corresponen a les que tenen un gruix igual o més gran de 6 mm, i tenen extrems tallats mecànicament o amb soplet. Aplicació: Construcció, indústria i transport, per a estructures, recipients a pressió, cascos de vaixell. Qualitats: Diverses, determinades per l’ús. Dimensions : 6 a 50 mm de gruix. 1000 a 2000 mm d’amplada i 3,7 a 12 m. Les combinacions d’amplada i llargada depenen del gruix. Página 20 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez Bobines i planxes laminades en calent Depenent de la qualitat poden servir-se en el seu estat de laminació o decapats, tallats a guillotina o oxitall, i poden ser entregats en bobines o làmines tallades. Aplicacions: Fabricació de tubs i perfils per a construcció estructural, tubs i tuberíes soldats per a la conducció de fluids, cilindres. Portàtils de gas liquat i acer per embutir. Qualitats: Varien segons el seu ús, poden ser decapats o negres (no decapats). Dimensions: Gruix de 1,8 mm a 12 mm (bobines negres) i 5 mm (bobines decapades). Ample de 900 a 1070 mm. Bobines de 8,2 a 9 tones. Bobines y planxes laminades en fred Pot ser entregat en bobines o planxes tallades. L’acer per conformar en fred té una superficie apta per pintar, recubrir o esmaltar. L’acer per a tambors permet soldabilitat del material i els processos de rodonat i embatellament. L’acer per enlozat vitri permet obtenir les embuticions prèvies al procés d’enlozat. L’acer per a estampat i embutició garanteix la seva aptitud per a ser deformat per embutició o per estampat en processos industrials, deixant la peça final amb bona resistència a cops, abrassió i ús en general. L’acer sense recocció manté un alt grau d’acritud a la seva estructura interna, té alta duresa superficial i baixa capacitat de deformació. Aplicacions: Per conformar en fred: és utilitzat en estructures livianes, parts de carrosseries i usos generals. Per a tambors: tapes i fons, cossos cilíndrics i cònics. L’enlozat vitri: és comunment utilitzat en linia blanca, peces embutides enlozades com a dipòsit de rentadores. Estampat i embutició: peces automotrius, panys, peces, carcasses d’artefactes elèctrics embutits i peces internes d’electrodomèstics. Sense recocció: perfils ranurats, base per a zenc-alumini (full hard). Qualitats: Recuit i sense recocció. Dimensions: Gruixos: 0,35 a 1,90 mm. Amplada: 710 a 1058 mm. Llarg de planxa: 1700 a 3660 mm. Diàmetre interior de bobines: 508 mm. Diàmetre exterior de bobines 1520 mm (màx). Pes (1000 mm d’ample): de 4000 kg a 8500 kg. Zincalum en planxes o bobines Consisteix en una capa prima d’acer revestida per una capa d’alumini i zenc a les seves dues cares. Té especial resistència a la corrossió i ratlles. Aplicacions: cobertes de sostres, revestiments laterals. Qualitats: Segons norma ASTM A792M. Qualitat comercial amb recobriment AZ150 g/m2 d’alumini-zenc, per les dues cares. Dimensions : Planxes tipus toledana, estàndar i 5-V, amb amplades de 851 a 895 mm, 2 a 6 m de llarg i gruixos de 0,35 a 0,8 mm, segons tipus de planxa. Bobines de 1000 mm d’amplada, gruix nominal de 0,35 a 0,80 mm i un pes de 8 tones. Página 21 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez Llauna4 electrolítica en làmines i bobines És una làmina d’acer, de gruix igual o inferior a 0,35 mm, recobert d’estany per les dues cares, per electrodeposició. Aplicacions: fabricació d’envasos conservants, safates, envasos de pintures, joguines… Dimensions: Làmines de gruix de 0,18 a 0,30 mm, llarg de 487 a 950 mm. Bobines de 0,18 a 0,35 mm de gruix, llarg 700 a 950 mm. Pes de 4,3 a 7,3 tones. Com a exemple de qualitats de productes que oferten les empreses i que poden subministrar en les mides que el client demandi, adjunto el llistat següent: Planxes estriades (LAC) Planxes laminades en calent, qualitat estructural o qualitat comercial, amb extrems de laminació tallats, amb figures geomètriques resaltades distribuides en intèrvals regulars, a una de les cares. Planxes i bobines zencades. Estàn constituides per planxes i bobines llises de carboni revestides per les dues superficies amb una capa de zenc aplicada pel procés d’inmersió en calent. Planxes zencades ondulades (calamines Full Hard) Són planxes zencades, acanalades obtingudes per deformació en fred per mitjà d’una sèrie de corrons. Planxes gruixudes (LAC) Planxes d’acer laminat en calent de gruixos majors a 4,75 mm i destinades a la construcció de silos, plataformes, naus, equipament pesant, carrosseries, etc… Planxes primes (LAC) Planxes d’acer laminat en calent de gruixos menors a 4,75 mm i destinades a la construcció d’embarcacions pesqueres, estructures i usos en general. Bobines LAC Bobines d’acer laminat en calent. Es fa servir en la fabricació de tubs, perfils plegats, així com, després del tall de la planxa, carrosseries i construcció en general. Planxes i bobines LAF Planxes i bobines laminades en fred, qualitat comercial Planxes Expanded metal D’Acer negre (SAE 1010-baix carboni), se’ls pot aplicar qualsevol acabat per a lograr textures i colors originals a cada obra. També en acabat termogalvanitzat. 4 “Hojalata” Página 22 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez 5.- Operacions complementàries al laminat de xapa d’acer Amb aquestes operacions, generalment combinant diverses d’elles, el material laminat assolirà les formes i característiques que li permetran formar part de productes finals, com llaunes de refresc, xapa de cotxes, cossos d’electrodomèstics… Gofrat: Es quan es fa passar una làmina de metall entre dos corrons amb irregularitats o dibuixos a la superficie. Aquests dibuixos encaixen entre ells, de forma que en passar la làmina és deformada per assolir el dibuix transmés pels corrons. Té utilitat a l’hora de facilitar tractaments superficials posteriors, com ara barnissats o pintats amb productes que d’una altra manera no enganxarien. Decapat en continu: Un bany d’àcid clorhídric o sulfúric pot integrar-se a la línia, abans o després de la laminació en calent, per eliminar les impureses superficials. Cal acompanyar-lo de banys de neteja posteriors per eliminar restes mecànicament i les restes d’àcid. Galvanitzat: Aplicació d’un revestiment de zenc, caracteritzat per un alt grau de resistència a condicions extremes: foc, fred, corrossió, humitat. Té molt bona aptitud al conformat. Hi ha pràcticament en totes les qualitats d’acers. La seva composició és 0,15% C; 0,60% Mn; 0,03% K; 0,035% S. Recobriment amb zenc: electrozencat, a l’acer laminat en fred, amb l’objectiu de dotar-lo de bona resistència a la corrossió. També ofereixen molt bona soldabilitat, gràcies a la uniformitat i regularitat del recobriment de zenc. Es fa amb un bany a lla sortida de la laminació en fred. Recobriment amb estany: En algunes instal·lacions, les làmines d’acer es passen per un bany d’estany fos (després de ser laminat primer en calent i després en fred). El mètode de recobriment més comú és l’electrolític. La xapa d’acer es va desenrotllant poc a poc i se li aplica una solució química. Al mateix temps es fa passar un corrent elèctric a través d’un tros d’estany pur situat en la mateixa solució, cosa que fa que l’estany es dissolgui poc a poc i es dipositi sobre l’acer. Amb aquest sistema, 500 g d’estany permeten cobrir 20 m2 d’acer. Recobriment Cincalum: Revestiment d’aleació alumini/zenc que conté aproximadament un 55% d’Alumini i un 43,5% de zenc. Ofereix protecció com a barrera física del revestiment (protecció pasiva) i protecció galvànica (protecció activa). Aquesta combinació d’alumini i zenc permet la formació d’una microestructura particular. Té millor resistència a la corrossió que el revestiment galvanitzat. La foto de la portada d’aquest document correspon a bobines i planxes d’aquest tipus. Precocció: Per tal de reduir els efectes enduridors de la deformació per laminació, s’escalfa el material laminat. Disminueix la seva duresa i fa que el material sigui apte per a tornar a laminar, mecanitzar, etc… amplia el seu ventall de modificacions posteriors. Página 23 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez Desnervat i aplanat: Son equips que homogenitzen la xapa i deixen un metall plà, apte per a ser tallat transversalment i formar piles de panells que aniràn a automoció o fabriques d’electrodomèstics, cuines… també podran anar a altres tractaments com cromat, banys varis, etc. Poden treballar amb una tensió longitudinal (tensant la xapa) o sense aquesta tensió. Aquest tractament és típic per passar de tenir bobines a tenir planxes aptes per tall i apilat. A continuació adjunto la configuració de corrons en què es basen actualment aquest tipus de màquines: Esquema de la configuració de grups a desnervadora per a linies d’aplanat sota tensió. Página 24 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez Configuració dels corrons d’aplanadores de precissió Tall transversal: Per tal de fer panells metàl·lics i després de passar per les aplanadores, les xapes poden ser tallades per un equip com el que es mostra a continuació, basat en unes cizalles que tallen el material: Página 25 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez Sistema de tall transversal per a acer amb aplanadora de precissió i cizalla volant hidràulica. Pintura/barnissat: Existeixen linies de treball en continu per processar bobines en un espai relativament petit, per mitjà de jocs de politjes que fan que el metall de les bobines segueixi un circuit on son netejats, pintats, assecats i tornats a fer bobines. Cementació : S’endureixen les superficies de les planxes (ja tallades i aplanades) en escalfar-les amb compostos de carboni o nitrògen. Aquests compostos reaccionen amb l’acer i augmenten el seu contingut de carboni o formen nitrurs en la capa superficial. Carburització: La planxa tallada i aplanada s’escalfa, envoltada de carbó vegetal, coque o gasos de metà, com CO. També s’endureix l’acer. Cianurització: Enduriment de les planxes en un bany de sals de cianur foses per formar carburs i nitrurs. Nitruració: Per endurir planxes d’acer de composició especial per mitjà del seu escalfament en amoníac gasós per formar nitrurs en aleació. Página 26 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez 6.- Curiositats sobre laminació És posible trobar paquets informàtics i perifèrics per fer estudis de rendiment a nivell de models matemàtics per a operacions de laminació, com ara el paquet ABAQUS/CAE i una màquina universal de proves mecàniques INSTRON (model 8501). Però cal menysprear alguna dada, de forma que molt probablement no s’ajustarà exactament al comportament que caldrà esperar a la planta. Aquests models es basen en l’enduriment per deformació per preveure les tensions frontal i trasera, la càrrega mecànica i obtenir el número de passades que caldrà per laminar el producte estudiat. Un dels laminadors tercològicament més senzills és utilitzat a joieria. Es tracta d’un mecanisme de sobretaula que fan servir els joiers per tal d’aplanar les peces de metalls, com ara or o argent, i que consisteix en dos corrons i una maneta per fer-los girar. Hi ha comercialitzats sistemes motoritzats, però la complicació no sempre és rentable, si no es fa servir gaire. Aquest laminador de metalls preciosos bé acompanyat d’un disc amb unes osques laterals numerades per tal de controlar el gruix del metall aconseguit. Arriba un punt on cal escalfar el metall per poder treballar-lo o tornar-lo a passar pels corrons, ja que es nota com va adquirint duresa amb les passades. En aquest sistema també és molt instructiu notar com el metall es va escalfant només per l’acció de la força dels corrons i el fenòmen de deformació conseqüent. 7.- Conclusions Tot i que la definició de llibre és senzilla i no deixa lloc a dubtes, el procés de laminat a efectes pràctics té, com tots els altres processos industrials, molts trets característics que es conèixen només a peu d’indústria i poden costar més d’un ensurt a tècnics poc experimentats. Com que els ajustos de composició dels metalls a laminar es fan a l’alt forn, si bé és un tema molt complex, quan arriba a la laminació, ja no hi ha control de qualitat com a tal per validar el procés o reprocessar, només s’assoleix la llargada que permeti el material i la qualitat a l’acabat de la superficie durant la laminació en fred. Sobretot en el cas de l’alumini, com que és bastant fàcil separar dels residus alumínics (llaunes de refresc) de les pintures, plàstics, etc, quan es forma el llingot, s’aconsegueix una gran puresa. Tot i que els corrons són peces de metall massís, sorprén la seva fragilitat i sensibilitat als canvis de temperatura. El desgast a què són sotmessos fan que calgui rectificar-los molt més sovint del que es pot imaginar en tenir-los al davant, enormes i aparentment indeformables. Página 27 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez El fet de triar un “lubricant” adeqüat per interaccionar entre els metalls (del corró i del material a laminar) és critic, i indica que a nivell microscòpic, cal salvar els “forats” dels corrons i del metall a laminar per tal d’aconseguir laminar tot el material per igual. Tot i que a simple vista, les superficies dels corrons son perfectament llises, si el lubricant no fos adeqüat, hi hauria punts microscòpics on no quedaria laminat el metall per falta de contacte i provocaria irregularitats en el material. A més, cal que sigui un producte capaç de refrigerar i ha de tenir un preu raonable. Per això, en el cas de l’alumini, es fa servir una barreja de querosè, tot i el risc d’incendi. És bastant dificil saber de quin material està parlant qualsevol informació a nivell químic. Tot i que la normativa defineix les composicions dels materials en funció de codis de números, cada fabricant utilitza la codificació que vol, fins i tot classificacions que no són iguals a les que estàn normalitzades. Això provoca dificultats a l’hora de saber si un material és adeqüat per a la finalitat que busquem o si té les característiques que necesitem. És recomanable una taula d’equivalències. A l’actualitat conviuen a Espanya 2 nomenclatures direrents per anomenar acers, per exemple, l’anterior tipus A52 és ara el S335; el NBE AE 95 era abans A42 b. Així, poc a poc es va actualitzant els textos legals i informació tècnica, però val la pena fer-se amb una taula d’equivalències abans d’aprofondir en el tema. Com a recopilació d’informació i presentació del tema trobo que aquest document és molt apte, però si tingués interés per treballar en el sector, introduïr-me en ell, primer faria un estudi de mercat per determinar el metall a treballar amb més sortida. Un cop concretat, un estudi de producció amb números molt més precissos i tenint en compte factors com ara subministrament de recursos auxiliars i energètics, matèries primeres, transport (molt destacable en la siderúrgia), etc, per estimar un rendiment amb la màxima precissió possible del meu procés de producció. Hagués pogut filar molt més prim però hagués estat un document molt més extens. Página 28 de 29 ENGINYERIA DE MATERIALS LAMINAT DE METALLS Conrado Rodríguez 8.- Bibliografia - Catálogo de S.A. DE INGENIERIA Y CONSTRUCCIÓN MECANICA – INCO 1999. Diccionario de Química y de productos químicos. Ed.Omega. Ciencia e ingenieria de los materiales. Donald R.Askeland. International Thomson Editores. http://www.allstudies.com/clasificacion-acero.html Normas AENOR “ACEROS PARA CONSTRUCCIÓN METÁLICA”. Tomo I. Siderúrgia. Recopilación de normas 1987. http://www.acerosarequipa.com http://www.mittelband.de Introducción a la ciencia e ingenieria de los materiales. Callister, William D. Ed.Reverté. http://www.polimeros.labb.usb.ve/RLMM/home.html Página 29 de 29