BR112017000205B1

BR112017000205B1 - Processo de resfriamento de um lingote de laminação, instalação para a aplicação do processo e utilização da instalação

Info

Publication number: BR112017000205B1
Application number: BR112017000205-1A
Authority: BR
Inventors: Vincent DUHOUX; Bruno Magnin; Daniel BELLOT; José Roche; Pierre AUCOUTURIER
Original assignee: Constellium Neuf Brisach
Priority date: 2014-07-23
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2023-03-14
Also published as: EP3171996B1; KR20170039166A; WO2016012691A1; BR112017000205A2; JP2017521260A; US10130980B2; MX2017000483A; RU2676272C2; US20180236514A1; JP6585155B2; TWI593476B; CN106661648A; FR3024058B1; RU2017105464A3; DE15753101T1; SA517380746B1; CA2954711C; CN106661648B; EP3398696B1; EP3398696A1

Abstract

A invenção a um processo de resfriamento de um prato de laminação em liga de alumínio, após o tratamento térmico de homogeneização metalúrgica desse prato e antes de sua laminação a quente, caracterizado pelo fato de o resfriamento de um valor de 30 a 150 oC ser efetuado a uma velocidade de 150 a 500 oC/h, com uma homogeneidade de menos de 40 oC sobre toda a parte tratada do prato. A invenção tem também por objeto a instalação que permite a aplicação desse processo, assim como essa aplicação.

Description

Campo da Invenção

[001] A invenção se refere ao campo da laminação das placas ou lingotes em ligas de alumínio.

[002] Mais precisamente, a invenção se refere a um processo de resfriamento particularmente rápido, homogêneo e reprodutível do lingote entre as operações de homogeneização e de laminação a quente.

[003] A invenção se refere também à instalação ou equipamento que permite a aplicação desse processo.

Estado da técnica

[004] A transformação dos lingotes de laminação em liga de alumínio, oriundos da fundição exige, antes da laminação a quente, um tratamento térmico de homogeneização metalúrgica. Esse tratamento térmico é operado a uma temperatura próxima do solvus da liga, mais elevada do que a temperatura de laminação a quente. O desvio entre a temperatura de homogeneização e a temperatura de laminação a quente está compreendido entre 30 e 150 oC, segundo as ligas. O lingote deve, portanto, ser resfriado entre sua saída do forno de homogeneização e sua laminação a quente. Por razões, seja de produtividade, seja de estrutura metalúrgica, notadamente evitar determinados defeitos de superfície sobre a chapa acabada, é muito desejável poder realizar o resfriamento do lingote entre sua saída do forno de homogeneização e o laminador a quente de maneira rápida.

[005] Essa velocidade de resfriamento do lingote desejada está compreendida entre 150 e 500 oC/h.

[006] Considerando-se a elevada espessura dos lingotes de laminação e, liga de alumínio, seja entre 250 e 800 mm, o resfriamento ao ar é particularmente lento: a velocidade de resfriamento ao ar de um lingote de 600 mm de espessura está compreendida entre 40 oC / h ao ar calmo ou sob convecção natural, e 100 oC / h sob ar ventilado ou convecção forçada.

[007] O resfriamento ao ar não permite, portanto, atingir as velocidades de resfriamento desejadas.

[008] O resfriamento por meio de um líquido ou de uma névoa (mistura de ar e de líquido) é nitidamente mais rápido, pois o valor do coeficiente de troca, conhecido do técnico com a denominação de HTC (Heat Transfer Coefficient), entre um líquido ou uma névoa uma superfície do lingote metálico é nitidamente superior ao valor desse mesmo coeficiente entre o ar e o lingote.

[009] O líquido escolhido sozinho ou na névoa é, por exemplo, a água e, nesse caso, idealmente a água desionizada. Assim, o coeficiente HTC está compreendido entre 2000 e 20000 W/(m2.K) entre a água e o lingote quente, enquanto que ele está compreendido entre 10 e 30 W/(m2. K) entre o ar e o lingote quente.

[0010] Ao contrário, o resfriamento por meio de um líquido ou névoa gera habitualmente, de maneira natural, elevados gradientes térmicos no lingote:

[0011] - o número adimensional de Biot ilustra a homogeneidade térmica do resfriamento. Ele corresponde à relação da resistência térmica interna de um corpo (transferência de calor interno por condução) à sua resistência térmica de superfície (transferência de calor por convecção e irradiação).

[0012] HTC sendo o coeficiente de troca entre o fluido e o lingote;

[0013] D, a dimensão característica do sistema, no caso a semiespessura do lingote;

[0014] À, a condutividade térmica do metal, por exemplo, para uma liga de alumínio, 160 W/(m2.K).

[0015] Se Bi << 1, o sistema será praticamente isoterma, o resfriamento será uniforme.

[0016] Se Bi >> 1, o sistema será termicamente muito heterogêneo e o lingote será a sede de elevados gradientes térmicos.

[0017] Para um lingote de espessura de 600 mm, o número de Biot vale:

[0018] - entre 0,02 e 0,06 para um resfriamento ao ar calmo ou ventilado. O número e Biot é pequeno diante de 1, o lingote é resfriado de maneira isoterma;

[0019] - entre 4 e 40 para um resfriamento com água. O número de Biot é elevado diante de 1, o lingote é resfriado de maneira heterogênea em sua espessura.

[0020] Essa heterogeneidade se traduz também na largura do lingote, em razão dos efeitos de bordas e de arestas, naturalmente mais resfriadas do que as faces maiores do lingote.

[0021] Ela se traduz também no comprimento do lingote, por efeito de cunha, naturalmente resfriado segundo as três faces que o constituem.

[0022] A heterogeneidade térmica é um handicap maior do resfriamento com o auxílio de um líquido ou névoa. Ela apresenta problema não somente para o processo seguinte, isto é, a laminação a quente, mas ela é também potencialmente nefasta para a qualidade final do produto, a saber, a liga de alumínio vendida sob a forma de bobinas ou de chapas com elevadas características mecânicas.

[0023] Os dispositivos conhecidos da técnica anterior não buscam limitar essa heterogeneidade do resfriamento.

[0024] Os processos de resfriamento com o auxílio de um líquido de resfriamento conhecidos da técnica anterior, notadamente para as chapas fortes, operam seja por imersão em um reservatório, seja por passagem em um caixão de aspersão, mas sem atenção particular levada ao controle do equilíbrio térmico do produto.

[0025] Assim, esses processos não permitem:

[0026] - nem obter um campo térmico uniforme no lingote resfriado;

[0027] - nem garantir a reprodutibilidade do resfriamento de um lingote ao outro.

Problema apresentado

[0028] A invenção tem por objetivo corrigir o conjunto dos defeitos maiores, ligados aos processos de resfriamento de lingotes espessos da técnica anterior e assegurar:

[0029] - um resfriamento rápido, a uma velocidade de pelo menos 150 oC / h e consequente, seja de 30 a 150 oC de resfriamento, a partir de uma espessura da ordem de 450 a 600 oC;

[0030] - um campo térmico homogêneo e controlado no conjunto do lingote;

[0031] - a segurança de uma perfeita reprodutibilidade de um lingote espesso ao outro.

Objeto da Invenção

[0032] A invenção tem por objeto um processo de resfriamento de um lingote de laminação em liga de alumínio de dimensões típicas de 250 a 800 mm em espessura, 1000 a 2000 mm em largura e 2000 a 8000 mm em comprimento, após o tratamento térmico de homogeneização metalúrgica desse lingote a uma temperatura tipicamente compreendida entre 450 e 600 oC, segundo as ligas e antes de sua laminação a quente, caracterizado pelo fato de resfriamento, de um valor de 30 a 150 oC, ser efetuado a uma velocidade de 150 a 500 oC / h, com um desvio térmico de menos de 40 oC sobre o conjunto do lingote resfriado, a partir de sua temperatura de homogeneização.

[0033] Entende-se por desvio térmico o desvio máximo entre temperaturas levantadas no conjunto do volume do lingote, ou ainda DTmax.

[0034] Vantajosamente, o resfriamento é feito em pelo menos duas fases:

[0035] - uma primeira fase de aspersão no decorrer da qual o lingote é resfriado em um compartimento que comporta rampas de bocais ou tubulações de aspersão de líquido ou névoa de resfriamento sob pressão, repartidas em partes alta e baixa dessa célula, de forma aspergir as duas faces maiores, superior e inferior desse lingote;

[0036] - uma fase complementar de uniformização térmica ao ar calmo, em um túnel com paredes internas refletoras, de uma duração de 2 a 30 minutos, conforme o formato do lingote e o valor do resfriamento.

[0037] Tipicamente, essa duração é de aproximadamente 30 min para um resfriamento total da ordem de 150 oC, a partir de sensivelmente 500 oC, e de alguns minutos para um resfriamento da ordem de 30 oC.

[0038] De acordo com uma variante da invenção, as fases de aspersão e uniformização térmica são repetidas, no caso de lingotes muito espessos e para um resfriamento médio global superior a 80 oC.

[0039] Mais comumente, o líquido de resfriamento, aí compreendido em uma névoa, é a água e, de preferência, a água desionizada.

[0040] De acordo com um modo de realização particular, a cabeça e o pé do lingote, seja tipicamente os 300 a 600 mm nas extremidades, são menos resfriados que o resto do lingote, de modo a manter uma cabeça e um pé quente, configuração favorável ao encaixe do lingote, quando de uma laminação a quente reversível.

[0041] Para esse fim, o resfriamento da cabeça e da base pode ser modulado seja pela colocação em funcionamento, ou a extinção das rampas de bocais ou tubulações de aspersão, seja pela presença de telas impedindo ou reduzindo a aspersão por esses bocais ou tubulações.

[0042] Por outro lado, as fases de aspersão e não de uniformização térmica podem ser repetidas, e a cabeça e o pé do lingote, seja tipicamente os 300 a 600 mm nas extremidades, resfriados diferentemente do resto do lingote pelo menos em uma das células de aspersão.

[0043] De acordo com uma versão, conforme esta última opção, o primeiro passe de aspersão é efetuado com um friso nulo, seja uma irrigação contínua do lingote, tal como na figura 14, seguida, sem primeira fase de uniformização térmica, de um segundo passe de aspersão com um friso de um par de rampas, tal como na figura 12, permitindo assim reduzir notavelmente a duração da fase final de uniformização necessária ao equilíbrio térmico do lingote.

[0044] De acordo com uma variante preferida da invenção, a uniformidade térmica longitudinal do lingote é melhorada por um movimento relativo do lingote em relação ao sistema de aspersão: passagem ou vaivém do lingote face a um sistema de aspersão fixa ou inversamente, deslocamento dos bocais ou tubulações em relação ao lingote.

[0045] Tipicamente, o lingote passa horizontalmente na célula de aspersão e sua velocidade de passagem é superior ou igual a 20 mm/s, seja 1,2 m/min.

[0046] Preferencialmente ainda, a uniformidade térmica transversal do lingote é assegurada por modulação da aspersão na largura do lingote por ignição / extinção de bocais ou tubulações, ou entalhe dessa aspersão.

[0047] A invenção tem também por objeto uma instalação para a aplicação do processo, tal como acima, comportando uma célula de aspersão, munida de rampas de bocais ou tubulações de aspersão de líquido ou névoa de resfriamento sob pressão dispostas na parte alta e baixa dessa célula, de forma a aspergir as duas faces maiores, superior e inferior desse lingote.

[0048] Um túnel de uniformização ao ar calmo ao sair da célula de aspersão, em um túnel com paredes internas e com teto em uma matéria internamente refletora, autorizando uma uniformização térmica do lingote por difusão do calor nesse lingote, o núcleo aquecendo as superfícies.

[0049] De acordo com um modo de realização preferencial:

[0050] - os bocais de líquido ou névoa de resfriamento geram sprays ou jatos com cone cheio, cujo ângulo está compreendido entre 45 e 60 oC;

[0051] - os eixos dos bocais inferiores são orientados normalmente na superfície inferior.

[0052] De preferência, as rampas de bocais superiores são emparelhados no sentido de passagem do lingote. Em um mesmo par, as rampas superiores são inclinadas, de tal modo que:

[0053] - os jatos das duas rampas de bocais superiores emparelhados sejam orientados em oposição um ao outro;

[0054] - os jatos apresentam um contorno normal à superfície superior do lingote;

[0055] - a abrangência dos dois jatos esteja compreendida entre 1/3 e 2/3 da largura de cada jato, e preferencialmente sensivelmente da metade;

[0056] - o envoltório dos dois jatos assim formado constitui um perfil em M.

[0057] Os pares de rampas de bocais superiores e inferiores são colocados sensivelmente frente a frente, de forma que os comprimentos de aspersão superiores e inferiores sejam sensivelmente iguais e estejam frente a frente.

[0058] Devido ao emparelhamento dos bocais superiores em oposição e ao perfil em M dos jatos, o comprimento de aspersão é controlado, de forma a favorecer a evacuação lateral do líquido ou nevoeiro aspergido em face superior, orientando-o em direção às bordas do lingote onde ele é evacuado, sob a forma de uma cascata sem tocar as faces menores do lingote, autorizando assim um resfriamento muito homogêneo em temperatura nos sentidos longitudinal e transversal do lingote.

[0059] Quanto ao líquido sozinho ou conteúdo na névoa de resfriamento, pode ser recuperado, tipicamente em um recipiente situado sob a instalação, reciclado e termicamente controlado.

[0060] De acordo com um modo de aplicação aperfeiçoado, o conjunto da instalação, célula de aspersão e túnel de uniformização, é comandado por um modelo térmico codificado sobre o autômato, o modelo térmico determinando as regulagens da instalação em função da temperatura estimada por medida térmica no início da célula de aspersão e em função da temperatura alvo de saída, em geral a temperatura de início de laminação a quente.

[0061] De acordo com um modo de realização vantajoso, a utilização da instalação comporta as seguintes etapas:

[0062] - centragem do lingote, à entrada da instalação;

[0063] - medida da temperatura de superfície superior do lingote;

[0064] - cálculo pelo autômato, com o auxílio do modelo térmico, das regulagens da célula de aspersão em função da temperatura alvo de entrada e da temperatura alvo de saída, isto é, do resfriamento alvo do lingote, incluindo a determinação do número de rampas ativadas, do número de bocais abertos em bordas, da velocidade de passagem do lingote na célula de aspersão, acionamentos e arestas das rampas de aspersão, e do tempo de manutenção no túnel de uniformização;

[0065] - passagem do lingote na célula de aspersão, irrigação superior e inferior segundo os cálculos do autômato;

[0066] - transferência do lingote da célula de aspersão para o túnel de uniformização;

[0067] - manutenção do lingote no túnel de uniformização por uma duração determinada pelo autômato.

Descrição das figuras

[0068] A figura 1 representa um esquema de princípio do processo, de acordo com a invenção, em um passe. O lingote é retirado do forno de homogeneização 1 à sua temperatura de homogeneização. Ele é transferido para a máquina de resfriamento, centrado lateralmente, depois sua temperatura de superfície é medida (2) por termobinário de superfície, por contato ou com o auxílio de um pirômetro infravermelho, mas que será menos preciso. O modelo térmico determina a regulagem da célula de aspersão 3 (número de binários de rampas ativados e velocidade de passagem do lingote). Depois o lingote é tratado na célula de aspersão. Em sua saída, ele é secado e transferido (4) para um túnel de uniformização (5) para uma duração determinada por modelo térmico ou segundo a amplitude do resfriamento sofrido. Ao final, ele é transferido para o laminador a quente 6.

[0069] A figura 2 representa um esquema de princípio do processo de acordo com a invenção, em dois passes ou mais. Quando a amplitude de resfriamento é superior a 100 oC, uma única passagem na máquina de resfriamento pode ser insuficiente. Nesse caso, o lingote é resfriado uma primeira vez na primeira célula de aspersão 3. Depois, com ou sem passagem no túnel de uniformização intermediária 5, o lingote é transferido na segunda máquina de resfriamento, composta dos elementos 6, 7 e 8, onde ele sofre um ciclo completo: célula de aspersão, depois obrigatoriamente túnel de uniformização 8. A duração da última fase de uniformização depende da difusividade térmica do material, portanto, da liga, da amplitude alvo de resfriamento, e da severidade da uniformidade térmica alvo, antes da laminação a quente 9.

[0070] O resfriamento multipasses pode também ser realizado com uma única máquina, por passagens sucessivas.

[0071] A figura 3 é um plano esquemático da máquina de aspersão, vista de perfil, o lingote passando da esquerda para a direita. Ela ilustra a disposição dos jatos de líquido ou névoa aspergida sobre o lingote, vista de perfil, na face superior e na face inferior. As rampas de irrigação superiores e inferiores são emparelhadas e face a face por par, para garantir uma boa uniformidade de resfriamento na espessura do lingote. As rampas superiores emparelhadas são orientadas em oposição, o que garante uma evacuação do líquido ou névoa aspergido transversalmente ao lingote. Os eixos dos bocais inferiores são orientados normalmente na superfície inferior do lingote, o líquido escoando por gravidade. Rampas de ar comprimido (1 a 4) envolvem as extremidades da célula de aspersão para evitar qualquer escoamento residual de líquido sobre o lingote fora dessa célula.

[0072] A figura 4 ilustra o impacto dos jatos de líquido ou névoa superiores, em vista de topo do lingote. Anota-se a concentração da vazão surfácica de líquido ou névoa na interseção dos jatos em oposição. Esse esquema de irrigação é favorável à evacuação do líquido ao longo dessa linha transversa de elevada vazão surfácica.

[0073] A figura 5 representa a cinética térmica de um lingote de 600 mm, calculada no caso de um resfriamento médio de 40 oC, em um passe na máquina de aspersão para uma liga do tipo AA3104, segundo as designações definidas por "Aluminum Association" nas Registration Record Series, que ela publica regularmente. Aí figuram as evoluções das temperaturas mínimas Tmin, máximas Tmax e média Tmin no lingote, assim como o desvio máximo de temperatura em todo o volume do lingote, no decorrer do tempo (DTmax).

[0074] A figura 6 representa a cinética térmica de lingote de 600 mm, calculada no caso de um resfriamento médio de 130 oC, em dois passes na máquina de aspersão para uma liga do tipo AA6016, segundo as designações pela Aluminum Association nas Registration Record Series, que ela publica regularmente. Aí figuram, da mesma forma, as evoluções das temperaturas mínimas Tmin, máximas Tmax e média Tmoy no lingote, assim como o desvio máximo de temperatura em todo o volume do lingote, no decorrer do tempo (DTmax).

[0075] As figuras 7 a 9 ilustram três modos ou estratégias de irrigação, em sentido transversal da máquina de aspersão, com representação da posição dos bocais sobre rampas de aspersão, a garra de aspersão sendo vista de frente em todos os casos:

[0076] - figura 7: perfil térmico uniforme na largura do lingote;

[0077] - figura 8: perfil térmico com bordas frias, criado por um excesso de irrigação sobre as bordas do lingote;

[0078] - figura 9: perfil térmico com bordas quentes, criado por um déficit de irrigação sobre as bordas do lingote.

[0079] A figura 10 apresenta dois modos ou estratégias de largura de irrigação de um mesmo lingote em liga de alumínio de 600 mm de espessura e de 1700 mm de largura , à esquerda um perfil térmico no sentido transversal com bordas frias com 11 bocais em ação, à direita um perfil térmico com bordas quentes com 9 bocais em ação.

[0080] A figura 11 é a conseqüência sobre o perfil térmico (temperatura em oC, em função da posição no sentido transversal, a partir do eixo do lingote, em m) desses dois modos de aspersão.

[0081] As figuras 12 a 14 ilustram três exemplos de modos ou estratégias de acionamento da irrigação.

[0082] Com efeito, o perfil térmico no sentido do comprimento do lingote é controlado:

[0083] - pela ausência ou pelo escoamento pequeno no sentido do comprimento do lingote, graças à montagem das rampas superiores em oposição;

[0084] - pelo acionamento e pela parada da irrigação de cada par de rampas a uma posição precisa do lingote: é a noção de friso de irrigação.

[0085] A figura 12 corresponde a uma gestão do perfil térmico no sentido do comprimento com extremidades quentes, a figura 13 com extremidades mornas e a figura 14 com extremidades frias (com um escoamento em 1).

[0086] A figura 15 ilustra os perfis térmicos longitudinais (temperatura em oC, em função da posição no comprimento L do lingote em m) para as três estratégias de gestão térmica das extremidades do lingote pré-citadas. Nesse exemplo, o lingote é em liga do tipo AA6016, de espessura 600 mm, seu resfriamento médio é de 100 oC em dois passes, e o tempo em caixa de uniformização térmica é de 10 min.

[0087] As figuras 16 a 18 ilustram o campo térmico, em visualização 3D, do mesmo exemplo, em entrada de laminação a quente, para as três estratégias de gestão térmica das extremidades do lingote pré-citadas, a figura 16 com extremidades quentes, a figura 17 com extremidades mornas e a figura 18 com extremidades frias.

[0088] Vê-se que a estratégia de acionamento da irrigação permite claramente controlar o perfil térmico longitudinal do lingote.

[0089] A figura 19 ilustra o campo térmico se um lingote em liga do tipo AA6016, de 600 mm de espessura, resfriado de aproximadamente 50 oC em um passe na máquina de aspersão regulada com uma ponta de irrigação de uma única rampa às extremidades do lingote, de acordo com a figura 13. Essa regulagem leva a um campo térmico muito uniforme com extremidades ligeiramente mais quentes, o que é favorável à laminação.

Descrição da Invenção

[0090] A invenção consiste essencialmente em um processo de resfriamento com auxílio de um líquido ou névoa de resfriamento de uma placa ou de um lingote de laminação de liga de alumínio, de 30 a 150 oC em alguns minutos, isto é, a uma velocidade de resfriamento média compreendida entre 150 e 500 oC/hora.

[0091] Ele é constituído principalmente de duas fases:

[0092] - uma primeira fase de aspersão do lingote com o auxílio de um líquido ou névoa de resfriamento, tipicamente na passagem;

[0093] - uma segunda fase de uniformização térmica do lingote.

[0094] Durante a primeira fase de aspersão, o lingote é resfriado em um compartimento que comporta bocais ou tubulações de aspersão de líquido ou névoa refrigerante sob pressão, tipicamente a água e, de preferência, desionizada.

[0095] Os bocais ou tubulações são repartidos em partes alta e baixa dessa célula, de forma a aspergir as duas faces maiores, superior e inferior, do lingote.

[0096] A opção de um processo à passagem permite limitar os riscos de pontos quentes ligados aos contatos entre o lingote e seu suporte, em geral constituído de rolos cilíndricos ou cônicos.

[0097] O resfriamento médio do lingote ^Tmédia do lingote) é controlado pela duração de aspersão vista por cada seção do lingote.

[0098] Durante essa fase, o lingote é termicamente muito heterogêneo em sua espessura, devido a um valor do número de Biot elevado.

[0099] A homogeneidade de resfriamento na largura do lingote é controlada:

[00100] a) pelo controle da largura de irrigação no sentido através do lingote, pelo número de bocais ativados ou pela utilização de telas;

[00101] b) por um método de aspersão que favorece a evacuação lateral da água aspergida em face superior. Com efeito, o líquido de resfriamento é orientado em direção às bordas do lingote e evacuado sob a forma de uma cascata sem tocar as faces menores desse lingote. O resfriamento do lingote é dessa forma muito homogêneo. Esse método consiste na realidade em emparelhar duas rampas de bocais, colocados em oposição, conforme mostram notadamente as figuras 3 e 4.

[00102] A homogeneidade de resfriamento no comprimento do lingote é controlada:

[00103] c) pelo controle do início e do fim da aspersão por acionamento das rampas de aspersão à posição desejada sobre o lingote ou, de novo, pela utilização de telas. Assim, a cabeça e o pé do lingote podem não ser aspergidos. Obtém-se então um lingote com uma cabeça e um pé quente, o que é favorável a seu encaixe, quando da laminação reversível a quente;

[00104] d) pela forte redução do escoamento no sentido longo do lingote. Este muito pequeno escoamento é obtido, graças à característica b) acima da invenção, favorecendo a evacuação lateral do líquido de resfriamento aspergido na face superior do lingote.

[00105] A fase de aspersão é, portanto, concebida para limitar as heterogeneidades térmicas nas três direções do lingote. A invenção permite particularmente controlar os perfis térmicos no sentido transverso e no sentido do comprimento do lingote, o que é muito apreciável, já que eventuais gradientes térmicos ao longo dessas duas grandes dimensões seriam difíceis de reabsorver em um curto prazo.

[00106] Segue a fase de uniformização térmica do lingote:

[00107] - após aspersão, o lingote é mantido alguns minutos em uma configuração de baixa troca de calor com seu meio ambiente. Essas condições térmicas permitem a uniformização térmica do lingote, em alguns minutos para os resfriamentos de menos de 30 oC e em aproximadamente 30 minutos no máximo para resfriamentos de 150 oC. Essa fase é essencial ao alcance das especificações de uniformidade térmicas demandadas. Ela permite atingir um desvio térmico DTmax de menos de 40 oC sobre um lingote de grandes dimensões.

[00108] A invenção pode também ser adaptada a valores absolutos de resfriamentos elevados. Assim, quando o resfriamento médio do lingote desejado é superior a tipicamente 80 oC, é possível acionar o ciclo várias vezes o conjunto das fases "aspersão" e "uniformização", reduzindo a cada ciclo de "aspersão - uniformização" a temperatura média de um lingote muito espesso.

[00109] O processo assim descrito assegura um resfriamento rápido e controlado de um aplaca espessa, notadamente um lingote de laminação, em liga de alumínio. Ele é, por outro lado, robusto e evita os riscos conhecidos de sobre resfriamentos locais.

[00110] A máquina, ou instalação de resfriamento, ele própria é constituída de pelo menos uma célula de aspersão, tipicamente horizontal à passagem, por um lado, é, por outro lado, de pelo menos um túnel de uniformização térmica.

[00111] A célula de aspersão permite a aplicação da fase 1 do processo descrito mais acima.

[00112] As etapas de tratamento do lingote nessa máquina ou instalação são as seguintes:

[00113] 1) centragem do lingote, à entrada da máquina;

[00114] 2) medida da temperatura de superfície superior do lingote;

[00115] 3) cálculo pelo autômato, com o auxílio do modelo térmico, das regulagens da célula de aspersão em função da temperatura de entrada e da temperatura-alvo de saída, isto é, do resfriamento alvo do lingote, incluindo a determinação do número de rampas de bocais ativadas, do número de bocais abertos em margens, da velocidade de passagem do lingote na célula de aspersão, dos acionamento e paradas das rampas de aspersão, do tempo de manutenção no túnel de uniformização;

[00116] 4) passagem do lingote na célula de aspersão, irrigação superior e inferior, segundo os cálculos do autômato.

[00117] A célula de aspersão é constituída de rampas munidas de bocais ou tubulações de distribuição sob pressão do líquido ou névoa de resfriamento.

[00118] No caso em que este é a água, esta é idealmente desionizada ou pelo menos muito limpa e muito pouco mineralizada, a fim de evitar a incrustação dos bocais e para assegurar a estabilidade de transferência de calor entre a água e o lingote. A máquina de aspersão pode vantajosamente, por razões de economia notadamente, funcionar em ciclo fechado, com, por exemplo, uma bacia recuperadora colocada sob a máquina de aspersão.

[00119] Os bocais de líquido ou névoa de resfriamento escolhidos geram sprays ou jatos com cone pleno, cujo ângulo está compreendido entre 45 e 60 o (no exemplo: bocais com cone pleno a 60 o de ângulo, de marca LECHLER). Os eixos dos bocais das rampas inferiores são orientados normalmente na superfície inferior. As rampas superiores são emparelhadas. Em um mesmo par de rampas superiores, as rampas são inclinadas, de tal modo que:

[00120] - os jatos das duas rampas sejam orientados em oposição um do outro;

[00121] - os jatos apresentem um contorno normal na superfície superior do lingote;

[00122] - a abrangência dos dois jatos esteja compreendida entre 1/3 e os 2/3 da largura do jato e, preferencialmente, sensivelmente da metade;

[00123] - o envoltório dos dois jatos assim formado constitua, portanto, um perfil em M;

[00124] - os pares de rampas de bocais superiores e inferiores são colocados sensivelmente face a face, de forma que os comprimentos de aspersão superiores e inferiores sejam sensivelmente iguais e frente a frente.

[00125] No caso de um tratamento à passagem, a velocidade de passagem do lingote é superior ou igual a 20 mm/s, seja 1,2 m/min.

[00126] Ao sair da célula de aspersão, o lingote é transferido, por exemplo, com o auxílio de carros automáticos, em um ou vários túneis de uniformização. O objetivo do túnel é de reduzir ao máximo as transferências térmicas entre o lingote e o ar. O que é favorável a melhor uniformização térmica do lingote. Essa uniformização térmica ocorre por difusão do calor no lingote, o núcleo aquecendo as superfícies do lingote.

[00127] O túnel de uniformização é constituído de paredes verticais e de um teto em uma matéria idealmente refletora do lado interno do túnel.

[00128] Evita as correntes de ar em torno do lingote, assegurando a ausência de transferência de calor por convecção forçada. Por outro lado, reduz as transferências de calor por convecção natural e limita as transferências radioativas, caso as paredes são refletoras.

[00129] Enfim, a máquina ou a instalação de resfriamento composta da célula de aspersão e do túnel de uniformização, é comandada por um modelo térmico codificado sobre o autômato da máquina. O modelo térmico determina as regulagens da máquina, em função da temperatura no início de célula de aspersão, ou temperatura de entrada, e, em função da temperatura alvo de saída, em geral a temperatura de laminação.

Exemplos Exemplo 1: resfriamento uniforme de 40 oC de um lingote em liga do tipo AA3104

[00130] A figura 5 ilustra o resfriamento de 40 oC de um lingote em liga de tipo AA3104, segundo as designações definidas por "Aluminun Association" nas "Registration Record Series" que ela publica regularmente. A espessura do lingote é de 600 mm, sua largura de 1850 mm e seu comprimento de 4100 mm. O lingote sai do forno de homogeneização a 600 oC.

[00131] O processo de resfriamento do lingote é o processo a um passe, descrito na figura 1.

[00132] O lingote é transferido para a máquina de resfriamento em 180 s. Esse tempo de transferência compreende:

[00133] - o deslocamento do lingote entre a saída do forno e a entrada da máquina de resfriamento;

[00134] - a centragem lateral do lingote;

[00135] - a medida da temperatura de superfície superior do lingote;

[00136] - o tempo de cálculo pelo autômato das regulagens da máquina de resfriamento (célula de aspersão e túnel).

[00137] Depois o lingote passa na célula de aspersão, cada ponto do lingote fora as extremidades (cabeça e pé) sofre uma irrigação durante 46 segundos. A vazão surfácica de aspersão é de 500 l/(min.m2) sobre as duas maiores faces do lingote. O friso de irrigação é regulado a um binário de rampa, conforme descrito na figura 12. À sua saída da célula de aspersão, lingote é seco e transferido em 30 s para um túnel de uniformização para uma duração determinada pelo modelo térmico codificado no autômato, no caso de 300 s, seja 5 minutos. Ao final o lingote é transferido em direção ao laminador a quente, com uma uniformidade térmica melhor do que 40 oC sobre o lingote completo.

[00138] A temperatura de superfície do lingote desce a aproximadamente 320 oC, enquanto que o núcleo do lingote permanece quase isoterma durante a fase de aspersão. Depois por difusão do calor entre o núcleo e a superfície, o núcleo cede calor à superfície, o lingote se uniformiza termicamente.

[00139] O desvio térmico no lingote (DTmax) é máximo no fim da fase de aspersão, seu valor é de 280 oC aproximadamente para essa configuração. Reduz-se rapidamente desde quando a aspersão do lingote cessa: em 6 minutos de espera (transferência, depois uniformização no túnel), o desvio térmico DTmax é reduzido a menos de 40 oC.

Exemplo 2: resfriamento uniforme de 135 oC de um lingote em liga do tipo AA6016.

[00140] A figura 6 ilustra o resfriamento de 135 oC de um lingote em liga do tipo AA6016. A espessura do lingote é de 600 mm, sua largura de 1850 mm e seu comprimento de 4100 mm. O lingote sai do forno de homogeneização a 530 oC.

[00141] O processo de resfriamento do lingote é o processo com dois passes, descrito na figura 2.

[00142] O lingote é transferido para a máquina de resfriamento em 100 s. Esse tempo de transferência compreende:

[00143] - o deslocamento do lingote entre a saída do forno e a entrada da máquina de resfriamento;

[00144] - a centragem lateral do lingote;

[00145] - a medida da temperatura de superfície superior do lingote;

[00146] - o tempo de cálculo pelo autômato das regulagens das máquinas de resfriamento.

[00147] Depois o lingote passa na célula de aspersão, cada ponto do lingote hora das extremidades (cabeça e pé) sofre uma irrigação durante 51 segundos. A vazão surfácica de aspersão é de 800 l/min.m2) sobre as duas faces maiores do lingote. O friso de irrigação é regulado a uma rampa, conforme descrito na figura 13. À saída da célula de aspersão, o lingote é transferido em 60 s em direção à segunda célula de aspersão sem passar, nesse exemplo, pelo túnel de uniformização intermediária opcional. O lingote sofre então uma segunda irrigação, idêntica à primeira: cada ponto do lingote fora extremidades sofre uma irrigação de 51 segundos, à vazão surfácica de 800 l/(min.m2). À sua saída da segunda célula de aspersão, o lingote é transferido para o túnel de uniformização em 30 segundos. O lingote espera vários minutos no túnel de uniformização. Ao final, o lingote é transferido em direção ao laminador a quente, com uma uniformidade térmica melhor do que 40 oC sobre o lingote completo.

[00148] A temperatura de superfície do lingote desce a aproximadamente 60 oC. O núcleo do lingote permanece quase isoterma durante a primeira fase de aspersão, depois resfria no decorrer da segunda fase de aspersão. Depois, por difusão do calor entre o núcleo e a superfície, o núcleo cede calor à superfície, o lingote se uniformiza termicamente.

[00149] O desvio térmico no lingote (DTmax) é máximo no fim de cada uma das fases de aspersão, seu valor é de 470 oC aproximadamente para essa configuração. Ele se reduz rapidamente, desde quando a aspersão do lingote cessa: o desvio térmico DTmax do lingote é de 55 oC, após 13 minutos de espera no túnel e se torna inferior a 40 oC, após 23 minutos passadas no túnel.

Exemplo 3: resfriamento uniforme de 125 oC de um lingote em liga do tipo AA6016

[00150] A espessura do lingote é de 60 mm, sua largura de 1850 mm e seu comprimento de 4100 mm. O lingote sai do forno de homogeneização a 530 oC.

[00151] O processo de resfriamento do lingote é o processo com dois passes, descrito na figura 2.

[00152] O lingote é transferido para a máquina de resfriamento em 100 s. Esse tempo de transferência compreende:

[00153] - o deslocamento do lingote entre a saída do forno e a entrada da máquina de resfriamento;

[00154] - a centragem lateral do lingote;

[00155] - a medida da temperatura de superfície superior do lingote;

[00156] - o tempo de cálculo pelo autômato das regulagens das máquinas de resfriamento.

[00157] Depois o lingote passa na célula de aspersão, cada ponto do lingote sofre uma irrigação durante 51 segundos. A vazão surfácica de aspersão é de 500 l/(min.m2) sobre as duas faces maiores do lingote. O friso de irrigação é nulo, conforme descrito na figura 14. O lingote é, portanto, irrigado inteiramente de maneira idêntica, o que gera um perfil térmico longitudinal com extremidades frias. À saída da célula de aspersão, o lingote é transferido em 60 s para a segunda célula de aspersão, sem passar, nesse exemplo, pelo túnel de uniformização intermediária opcional. O lingote sofre então uma segunda irrigação, diferente da primeira. O lingote, mas dessa vez fora as extremidades, sofre uma segunda irrigação de 51 segundos, à vazão surfácica de 500 l/ (min. m2). O friso de irrigação é de um par de rampas, tal como descrito na figura 12. Essa regulagem tende a reerguer o perfil térmico com extremidades frias, gerando assim um perfil térmico longitudinal, quase plano ao sair da segunda célula de aspersão. À sua saída da segunda célula de aspersão, o lingote é transferido para o túnel de uniformização em 30 segundos. O lingote espera apenas 10 minutos no túnel de uniformização. Ao final, o lingote é transferido para o laminador a quente, com uma uniformidade térmica melhor do que 40 oC sobre o lingote completo.

[00158] O exemplo 3 mostra que a escolha judiciosa dos frisos de irrigação permite reduzir notavelmente a duração de uniformização após aspersão. Para um processo de resfriamento com vários passes, a escolha dos frisos pode ser diferente de um passe ao outro. Para um processo de resfriamento em 2 passes, o friso escolhido em primeiro passe ganha a ser contrário ao friso escolhido em segundo passe. De maneira otimizada e para um resfriamento com 2 passes, um primeiro passe com um friso nulo (irrigação contínua do lingote) seguido de um segundo passe com um friso de um par de rampas permite reduzir notavelmente a duração de uniformização necessária ao equilíbrio térmico do lingote.

Claims

1. Processo de resfriamento de um lingote de laminação em liga de alumínio de dimensões típicas de 250 a 800 mm em espessura, 1000 a 2000 mm em largura e 2000 a 8000 mm em comprimento, após o tratamento térmico de homogeneização metalúrgica desse lingote a uma temperatura tipicamente compreendida entre 450 a 600 oC, segundo as ligas e antes de sua laminação a quente, caracterizado pelo fato de o resfriamento, de um valor de 30 a 150 oC, ser efetuado a uma velocidade de 150 a 500 oC/h, com um desvio térmico de menos de 40 oC sobre o conjunto do lingote resfriado a partir de sua temperatura de homogeneização, em que o resfriamento é efetuado em pelo menos duas fases: - uma primeira fase de aspersão no decorrer da qual o lingote é resfriado em um compartimento que comporta rampas de bocais ou tubulações de aspersão de líquido ou névoa de resfriamento sob pressão, repartidos em partes alta e baixa dessa célula, de forma aspergir as duas faces maiores, superior e inferior desse lingote; - uma fase complementar de uniformização térmica ao ar calmo, em um túnel com paredes internas refletoras, de uma duração de 2 a 30 minutos, de acordo com o formato do lingote e o valor do resfriamento, e em que o líquido ou névoa aspergido na face superior é conduzido para as bordas do lingote onde é evacuado sob a forma de uma cascata sem tocar as faces menores do lingote.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de as fases de aspersão e uniformização térmica serem repetidas, no caso de lingotes muito espessos e para um resfriamento médio global superior a 80 oC.

3. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de o líquido de resfriamento, aí compreendido em uma névoa de resfriamento ser a água e, de preferência, a água desionizada.

4. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 3, caracterizado pelo fato de a cabeça e o pé do lingote, seja tipicamente os 300 a 600 mm nas extremidades, serem menos resfriados que o resto do lingote, de forma a manter uma cabeça e um pé quente, configuração favorável ao engajamento do lingote, quando de uma laminação a quente reversível.

5. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de o resfriamento da cabeça e do pé ser modulado pelo funcionamento ou pela extinção das rampas de bocais ou tubulações de aspersão.

6. Processo, de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de o resfriamento da cabeça e do pé ser modulado pela presença de telas.

7. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de as fases de aspersão e não de uniformização térmica serem repetidas, e pelo fato de a cabeça e o pé do lingote, seja tipicamente os 300 a 600 mm nas extremidades, serem resfriados diferentemente do resto do lingote pelo menos em uma das células de aspersão.

8. Processo, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de o primeiro passe de aspersão ser efetuado com um friso nulo, seja uma irrigação contínua do lingote, seguida, sem primeira fase de uniformização térmica, de um segundo passe de aspersão com um friso de um par de rampas permitindo assim reduzir notavelmente a duração da fase final de uniformização necessária ao equilíbrio térmico do lingote.

9. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado pelo fato de a uniformidade térmica longitudinal do lingote ser melhorada por um movimento relativo do lingote em relação ao sistema de aspersão: passagem ou vaivém do lingote face a um sistema de aspersão fixa ou inversamente.

10. Processo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de o lingote passar horizontalmente na célula de aspersão e sua velocidade de passagem ser superior ou igual a 20 mm/s, seja 1,2 m/min.

11. Processo, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de a uniformidade térmica transversal do lingote ser assegurada por modulação da aspersão na largura do lingote por ignição / extinção de bocais ou tubulações, ou entalhe dessa aspersão.

12. Instalação para a aplicação do processo, como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizada pelo fato de comportar: - uma célula de aspersão, munida de rampas de bocais ou tubulações de aspersão de líquido ou névoa de resfriamento sob pressão dispostas na parte alta e baixa dessa célula, de forma a aspergir as duas faces maiores, superior e inferior desse lingote; - um túnel de uniformização ao ar calmo ao sair da célula de aspersão, em um túnel com paredes internas e com teto em uma matéria internamente refletora, autorizando uma uniformização térmica do lingote por difusão do calor nesse lingote, o núcleo aquecendo as superfícies.

13. Instalação, de acordo com a reivindicação 12, caracterizada pelo fato de: - os bocais de líquido ou névoa de resfriamento da célula de aspersão gerarem jatos com cone cheio, cujo ângulo está compreendido entre 45 e 60 oC; - os eixos dos bocais inferiores serem orientados normalmente na superfície inferior; - as rampas de bocais superiores serem emparelhadas no sentido de passagem do lingote. Em um mesmo par, as rampas superiores são inclinadas de tal modo que: - os jatos das duas rampas de bocais emparelhados sejam orientadas em oposição um do outro; - os jatos apresentem um contorno normal à superfície superior do lingote; - a abrangência dos jatos das duas rampas emparelhadas esteja compreendida entre 1/3 e 2/3 da largura de cada jato, e preferencialmente sensivelmente da metade; - o envoltório dos dois jatos assim formado constitui um perfil em M. os pares de rampas de bocais superiores e inferiores são colocados sensivelmente frente a frente, de forma que os comprimentos de aspersão superiores e inferiores sejam sensivelmente iguais e estejam frente a frente.

14. Instalação, de acordo com qualquer uma das reivindicações 12 ou 13, caracterizada pelo fato de o líquido de resfriamento ser recuperado após a aspersão, tipicamente em um recipiente situado sob a instalação, reciclado e termicamente controlado.

15. Utilização da instalação, como definida em qualquer uma das reivindicações 12 a 14, caracterizada pelo fato de o conjunto da instalação, célula de aspersão e túnel de uniformização, ser comandado por um modelo térmico codificado sobre o autômato, o modelo térmico determinando as regulagens da instalação em função da temperatura estimada por medida térmica no início da célula de aspersão e em função da temperatura alvo de saída, em geral a temperatura de início de laminação a quente.

16. Utilização da instalação, de acordo com a reivindicação 15, caracterizada pelo fato de comportar as seguintes etapas: - centragem do lingote, à entrada da instalação; - medida da temperatura de superfície superior do lingote; - cálculo pelo autômato, com o auxílio do modelo térmico, das regulagens da célula de aspersão em função da temperatura alvo de entrada e da temperatura alvo de saída, isto é, do resfriamento alvo do lingote, incluindo a determinação do número de rampas ativadas, do número de bocais abertos em bordas, da velocidade de passagem do lingote na célula de aspersão, acionamentos e arestas das rampas de aspersão, e do tempo de manutenção no túnel de uniformização; - passagem do lingote na célula de aspersão, irrigação superior e inferior segundo os cálculos do autômato; - transferência do lingote da célula de aspersão para o túnel de uniformização; - manutenção do lingote no túnel de uniformização por uma duração determinada pelo autômato.