Made available in DSpace on 2014-06-11T19:28:34Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-01-20Bitstream added on 2014-06-13T20:58:34Z : No. of bitstreams: 1 cornelio_gt_me_guara.pdf: 7494292 bytes, checksum: 4665b80734a19910838d0896e5face70 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / O avanço da tecnologia de laminação incrementou as solicitações sobre os cilindros laminadores, e, portanto, o desenvolvimento de materiais mais resistentes ao desgaste, visando aumento da produtividade do laminador e melhor qualidade superficial dos produtos laminado, em especial tiras a quente. Como estudo de desgaste em campo é muito complexa devido à influência de diversos mecanismos e muitas vezes combinados entre si, os ensaios laboratoriais têm se mostrado como um meio mais fácil para estudar os materiais em serviço, além de auxiliar o projeto novas ligas. Dessa forma, foi proposto um ensaio de desgaste abrasivo puro para um tribômetro Plint & Partners, modelo TE-079, com o intuito de simular condições de utilização das últimas cadeira do trem acabador de um laminador de tiras a quente. Para sua validação foram utilizados três materiais: o ferro fundido de coquilhamento indefinido, o ferro fundido branco de alto cromo e o ferro fundido branco multicomponente, os quais apresentam comportamento conhecido em serviço. Esses materiais foram submetidos a uma caracterização metalográfica, microdureza e topografia de desgaste. Os resultado obtido mostraram-se coerentes com a prática observada na aplicação real, ou seja, reproduziram o comportamento de desgaste no laminador, sendo válida a proposta do ensaio tribológico. / The progress towards mill technology has increased the demand on the rolling mill rolls, and therefore, the development of wear resistant seekink productivity of the rolling mills and better superficial quality of the rolled products, especially in the hot strip mill has also increased. As the wear study in field is very complex due to the influence of several mechanisms wish are usually combined amongst themselves, the labs test have shown an easy way to study the materials in service, besides aiding the project of new leagues. In that way, a pure abrasive wear test was developed tribômetro Plint & Partners, model TE-079 with the intent of simulating the job conditions in the hot strip mill finishing chairs. For the validation three materials were used: an indefinite chill cast iron, a high chrome cast iron and a kind of multicomponent white cast iron, which presents knowm behavior in service. Those materials were submitted to a metallography characterization, microhardness measurement and wear topograpy observation. The obtained results were shown coherent with the practice observed in the real application, and then became possible a prediction of that behavior for the materials projects developed at laboratory, being valid the proposal of the rehearsal tribológico.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:28:33Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2011-12-16Bitstream added on 2014-06-13T20:18:22Z : No. of bitstreams: 1 goncalves_cg_me_guara_parcial.pdf: 217661 bytes, checksum: c20902856040fbee187ead0ee3cb00b5 (MD5) Bitstreams deleted on 2015-06-25T13:01:15Z: goncalves_cg_me_guara_parcial.pdf,. Added 1 bitstream(s) on 2015-06-25T13:03:30Z : No. of bitstreams: 1 000679599_20151231.pdf: 217896 bytes, checksum: cf025ea71faace9e52cbc1051e6f88a1 (MD5) Bitstreams deleted on 2016-01-04T10:26:26Z: 000679599_20151231.pdf,. Added 1 bitstream(s) on 2016-01-04T10:28:17Z : No. of bitstreams: 1 000679599.pdf: 1039378 bytes, checksum: fb5a9506ef24ceed88e78978a6f9f073 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este estudo mostra as variáveis dinâmicas do processo de fundição centrífuga de cilindros de laminação, que são utilizados para realização de conformação em gaiolas de laminação. O objetivo desse estudo é analisar as principais variáveis dinâmicas do processo de fundição centrifugada de cilindros de laminação e estudar as relações entre estas variáveis. Os processos de fundição centrífuga podem ser classificados em fundição centrífuga vertical e horizontal. Para a fundição centrífuga vertical, são elaborados os envelope de carga de dois modelos de máquinas centrífugas verticais existentes na literatura, onde se consegue determinar o tipo de rolamento de apoio utilizado na máquina. Para a fundição centrífuga horizontal, são estudadas variáveis como rotação, razão G, “aspect ratio”, espessura e vibração de uma amostra de aproximadamente 1.000 cilindros de ferro fundido, aço rápido e aço alto cromo. Desta amostra, verifica-se que a causa de sucateamento de parte dos cilindros não está ligada a adoção de variáveis dinâmicas incorretas no processo. Também é visto que diferentemente do alumínio, os cilindros de ferro fundido, aço rápido e aço alto cromo exigem maior rotação quanto maior a espessura da casca fundida. / This paper shows the dynamic variable of centrifugal casting process of rolling mill rolls which are used to compress the metal in rolling mill process. The main goal is to analyze the main dynamic variable and to study its relation in the process. There are two type of centrifugal casting: horizontal and vertical. For the horizontal centrifugal casting, two load envelopes are done, being possible to determine the bearing model used on the vertical centrifugal casting machine. For the horizontal centrifugal casting, variable such as rotating, ratio G, aspect ratio, thickness and vibration are studied to a sample of 1,000 casting rolls made of casting iron, high speed steel and high chromium steel. From this sample, it is seen that the cause of scrapping is not related to incorrect adoption of dynamic variables in the process. It is also verified that differently from the aluminum, cast iron, high speed steel and high chrome steel rolls demand greater speed with the increasing the shell casting thickness.

Sistemas de geração de referências para as malhas de controle de laminadores a frio têm proporcionado elevados níveis de produtividade e de qualidade do material processado. No caso de falha da unidade de processamento responsável pela execução do sistema de geração de referências, a operação do laminador fica comprometida e necessita-se de um modo de operação emergencial. Nesse trabalho é desenvolvido um sistema alternativo para geração de referências que visa substituir o modo de operação de emergência de consulta a tabelas de referências pré-calculadas da planta em questão. O sistema de geração de referências desenvolvido, assim como o sistema usado em condições normais de operação, é composto por uma função custo que avalia o nível de produtividade e de qualidade que um conjunto de referências pode proporcionar. A função custo é minimizada pelo método simplex de Nelder e Mead e as variáveis do processo envolvidas na função custo são avaliadas por um modelo de laminação a frio composto somente por equações algébricas, enquanto que o sistema usado em condições normais de operação usa um modelo clássico, composto por equações algébricas e integrais. A comparação entre o sistema usado em condições normais de operação e o sistema desenvolvido mostrou que apesar desse sistema ser mais simples, menos preciso e robusto, as referências por ele calculadas são aceitáveis e podem proporcionar resultados superiores que o modo de operação de emergência baseado na consulta a tabelas. / Setup generation systems for cold mill control loops have provided rolling mill operation with high levels of quality and productivity. In case of malfunctioning in the process unit responsible to execute the setup generation system, the normal procedure for the operation of the mill is interrupted, being necessary the use of an emergency operation mode. This work develops an alternative system for references generation which aims to replace the current emergency operation mode based on pre-calculated, not continuous, setup tables for the rolling mill. The developed references generation system, like the normal system used during mill operation, is composed by a cost function which evaluated the mill quality and productivity operation level which a set of references may propose. The cost function is minimized using the Nelder and Mead simplex method and the process variables involved in the cost function are evaluated by a cold rolling mill model composed only by algebraic equations, while the normal operation system uses a classical model, made up by integrals and algebraic equations. Comparing the existing main setup system to the developed reference system it was observed that, despite its simplicity, less accuracy and less robustness, references calculated using this system were accurate enough to achieve better results than the one emergency table mode has provided.

Coiler drums are integral components of the Steckel mill reversing hot strip rolling process. A Steckel mill produces hot rolled strip steel from cast slabs, which are heated before being converted, via roughing, to a transfer bar, of which the thickness is subsequently reduced to the desired gauge by means of a reverse rolling process performed by the Steckel mill. Coiler drums are located inside two Steckel furnaces, which are positioned on both sides of the mill stand. As the strip thickness is reduced during each pass, the length increases. In order to obtain high rolling speeds and retain temperature, the strip is successively coiled and uncoiled, under tension, onto and from the heated coiler drums during processing. As coiler drums have a high unit cost and a significant impact on the quality of the finished product, coiler drum performance is important to Steckel mill operators. The high cost is associated with the high alloy composition of the casting and the specialised manufacturing process required for the production of coiler drums. Deterioration of the coiler drum condition over its service lifespan can adversely affect the quality of the final product, namely coiled strip. This investigation was therefore undertaken to gain insight into coiler drum failure mechanisms, which will benefit Steckel mill operators, mill suppliers and coiler drum suppliers. / Professor R.F. Laubscher

Nos tratamentos ortodônticos, fios de diferentes ligas metálicas são utilizados nas etapas de alinhamento, nivelamento, correção da posição molar, fechamento espacial, acabamento e retenção. Com relação às duas últimas, responsáveis pelo posicionamento adequado dos dentes superiores sobre os inferiores, a preparação requer um fio que favoreça o torque de incisão, ou seja, que apresente grande resistência e rigidez associadas à ativação de pequeno alcance. Para este fim, os fios de aços inoxidáveis austeníticos retangulares são os preferidos em razão do módulo de elasticidade elevado e boa resistência à corrosão no meio bucal. Quanto à geometria retangular, o processo de fabricação requer desenvolvimento tecnológico adequado para a produção em escala industrial de fios com as características geométricas e propriedades mecânicas para melhor adequação às necessidades de uso. Com o objetivo de se produzir fios com tais características, foi desenvolvido um laminador para a fabricação de fios retangulares com a intuito de se dispor de uma alternativa de menor custo ao processo de produção por trefilação, de custo elevado, devido a complexidade das matrizes. Além da fabricação do laminador, foram avaliados os aspectos tecnológicos que envolveram os efeitos da deformação nas propriedades mecânicas dos fios, por meio de medidas de microdurezas e ensaios em tração e de flexão. Nos testes realizados, os fios apresentaram geometria, acabamento superficial e propriedades mecânicas adequadas à sua utilização em tratamentos ortodônticos. / In orthodontic treatments, wires of different metallic alloys are used for alignment, leveling, correction of the molar position, space closing, finish and retention. With respect to finish and retention, these wires are responsible for adequate positioning of the upper teeth on the lower teeth. Wires that are subjected to incisor torque require high resistance and stiffness. For this, wires of rectangular austenitic stainless steel are used due to high modulus of elasticity and good corrosion resistance in the oral environment. Because of the rectangular geometry, wire production requires process development suitable for industrial scale manufacture with geometric characteristics and mechanical properties better adapted to the use conditions. To obtain wires with such characteristics, a rolling mill was developed for the production of rectangular wires by a rolling process with the objective of reducing cost of the cold drawing process that is currently used, which utilize complex and expensive wiredrawing dies. In addition to the rolling process itself, wire deformation, microhardness, tension and bend tests were also performed. In these tests, wire geometry, surface finish and mechanical properties were successfully adapted for use in orthodontic treatments.

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The interference-fit joint is widely used in machine design to connect two cylindrical machine elements. Its popularity comes from the simplicity of the assembly and the low cost of the production process. Even so, no study has examined the boundary non-linearities in the assembly of these joints. Moreover, the contact stresses and the stress concentration factors in interference-fit joints under torsional loads have not yet been examined in detail. In addition, the interface stresses and stress concentration factors in interference-fit joints subjected to bending loads have not been approached theoretically before. The sugar-mill roller is one of the oldest and most important examples of the interference-fit joints. The frequent fatigue failure of the sugar-mill rollers under reversed bending causes costly emergency line-shut downs. The versatility of the finite element method and the capability of the point-matching technique in handling contact problems have been combined, in the present work, to produce a surface-matching technique. It has been found that the complete-cohesion contact assumption may be acceptable for coefficients of friction ≥ 0.2, which is the case for most of the normally machined surfaces. An approach combining the semi-inverse displacement finite element method and the surface-matching technique has been developed to perform the torsional analysis. It has been found that the governing non-dimensional quantities are the ratio of the cohesion-length to the interface-length and the coefficient of friction divided by the load-level. The load-level is the ratio between the angle of twist of the shaft per unit length when the torque acts on the shaft alone and the amount of the diametral interference divided by the shaft diameter. A finite element model, using 8-noded solid elements together with linear interface elements, has been employed to locate the cohesion and slippage-zones in the sugar-mill roller under bending. The contact pressure increases along the compression side and decreases along the tension side. On the contrary, the interface shear decreases along the compression side due to bending and increases along the tension side. Subsequently, a larger slippage-length has been detected along the tension side.

Estudaram-se os efeitos da fração volumétrica de carboneto eutético e da dureza da matriz sobre a resistência à fadiga térmica de ferros fundidos brancos multicomponentes. Utilizaram-se ligas do sistema Fe-4Cr-V-2Mo-2W-2C, V variando entre 5 e 8% e Fe-4Cr-8V-Mo-2W-2C, Mo variando entre 2 e 5%. Corpos-de-prova com a geometria de discos com seção variável foram temperados e revenidos para obtenção de dois valores de microdureza da matriz: 450 HV e 650 HV. Conduziram-se ensaios de fadiga térmica por 100 e 500 ciclos. Cada ciclo envolveu aquecimento por indução da superfície até a temperatura de 600°C em 10 segundos e subseqüente resfriamento em água por 45 segundos (equalização das temperaturas do núcleo e da superfície). Os corpos-de-prova foram caracterizados antes e após os ensaios de fadiga térmica. Antes dos ensaios, caracterizaram-se os carbonetos eutéticos (tipos, morfologia, fração volumétrica, tamanho, forma e distribuição dos carbonetos) e a microdureza da matriz. Após os ensaios, caracterizaram-se as trincas de fadiga térmica macroscópicas e microscópicas (número e profundidade) e a microdureza da matriz. A nucleação de trincas de fadiga térmica ocorre predominantemente na superfície do corpo-de-prova, induzidas por concentradores de tensão mecânicos e metalúrgicos. As trincas nucleiam na matriz (a rugosidade age como concentrador de tensão mecânico) e em carbonetos (interface carboneto/matriz ou no próprio carboneto). A taxa de nucleação sofre influência da fração volumétrica de carboneto eutético (seu aumento promove aumento da taxa de nucleação) e da dureza da matriz (seu aumento promove diminuição da taxa de nucleação). A propagação de trincas ocorre predominantemente pela interface carboneto/matriz ou através do carboneto. A taxa de propagação sofre influência da distribuição de carboneto eutético. Quanto maior a relação “continuidade de carbonetos/distância livre média entre carbonetos", maior a taxa de propagação de trincas. A taxa de propagação de trinca diminui com o aumento do tempo de ensaio, independentemente da fração volumétrica de carboneto eutético e da dureza da matriz. O regime de propagação durante os primeiros 100 ciclos é caracterizado pela propagação instável da trinca controlada pela tenacidade à fratura do material; de 100 a 500 ciclos, a propagação é controlada pela magnitude da tensão. O tamanho do corpo-de-prova também influenciou os resultados dos ensaios: o aumento do tamanho promove aumento das taxas de nucleação e propagação. Este resultado é atribuído ao aumento do gradiente térmico ao longo do corpo-de-prova com o aumento do seu diâmetro. / The effects of the volume fraction of eutectic carbides and of the matrix hardness on the thermal fatigue resistance of multicomponent white cast iron were investigated. Alloys Fe-4Cr-V-2Mo-2W-2C, V ranging from 5 to 8 wt% and Fe-4Cr-8V-Mo-2W-2C, Mo ranging from 2 to 5 wt % were used. Disc shaped samples were quench and tempered for obtaining two matrix microhardness levels: 450 HV and 650 HV. Thermal fatigue tests were carried out for 100 and 500 cycles. Each cycle involved high frequency induction heating of the surface to 600°C and subsequent cooling in water during 45 seconds (equalization of the bulk and surface temperature). The test specimens were characterized before and after the thermal fatigue tests. Before the tests, eutectic carbide (type, morphology, volume fraction, syze, shape and distribution of carbides) and matrix microhardness were characterized. After the tests, the macroscopic and microscopic thermal fatigue cracks (number and depth) and matrix microhardness were characterized. The nucleation of the thermal fatigue cracks takes place mostly at the specimen surface, induced by mechanical and metallurgical stress risers. The crack nucleates at the matrix (roughness as mechanical stress risers as well as at carbides (at the carbide/matrix interface or at the carbide itself). The nucleation rate is influenced by the volume fraction of eutectic carbide (the higher the volume fraction, the higher the nucleation rate) and by the matrix microhardness (the higher the microhardness, the lower the nucleation rate). The crack propagation mostly takes place at the carbide/matrix interface or through the carbide. The propagation rate is affected by the carbide distribution. The higher the “carbide continuity/carbide free path" ratio, the higher the propagation rate. The propagation rate decreases with increasing test time, regardless the eutectic carbide volume fraction and the matrix microhardness. The propagation behaviour during the first 100 cycles is characterized by instable crack propagation controlled by the fracture toughness of the material; from 100 to 500 cycles, the propagation is controlled by the stress magnitude. The syze of the test specimen also influenced the tests results: the larger the specimen syze, the higher the nucleation and propagation rates. This is attributed to the effect of increasing thermal gradient across the specimen with increasing specimen diameter.

Este trabalho inicia descrevendo as principais teorias de laminação que têm sido empregadas nos últimos anos na determinação das condições ideais para operação de laminadores a frio. Estas condições ideais estão ligadas a um conjunto de referências dos controladores do sistema, visando a máxima produtividade do laminador e a melhor qualidade da chapa laminada. As principais contribuições desta tese são: (i) proposta de um novo procedimento não iterativo para a determinação inicial de referências para redução em cada cadeira de um laminador de tiras a frio, originado do algoritmo iterativo do fator beta, introduzido por R. M. Guo; (ii) em seguida, é feito uso do modelo de Bland e Ford para cálculo de força e torque de laminação, utilizando o esquema de reduções sugerido pelo algoritmo de inicialização. A partir deste ponto, emprega-se o algoritmo de otimização de Nelder e Mead. A contribuição da tese para esta fase de otimização consiste na proposta da função objetivo a ser minimizada. Esta função objetivo leva em conta os principais atributos de qualidade e produtividade do laminador, ou seja, espessura, planicidade e utilização de toda a potência disponível, igualmente distribuída por todas as cadeiras; (iii) finalmente, visando garantir máxima precisão para as previsões do modelo, é proposto um algoritmo de otimização para ser utilizado em um esquema de adaptação, tendo em vista as dificuldades de se estimar duas importantes variáveis do processo de laminação: o coeficiente de atrito e o limite de escoamento. São também apresentados resultados obtidos à partir de um laminador tandem de 4 cadeiras, industrial, no qual foram implantados alguns dos métodos propostos. / This work begins describing the main rolling theories which have been employed during the recent years, in order to achieve the ideal conditions for the operation of tandem cold rolling mills. These optimum conditions are connected to a set of references used by the main systems regulators, aiming at getting the best quality of the strip and the maximum productivity of the mill. The main contributions of this thesis are: (i) proposal of a new non-iterative procedure to initial reduction calculation for each stand of a tandem cold mill, based on the iterative beta factor algorithm introduced by R.M. Guo; (ii) Use of Bland and Ford model for roll force and roll torque calculation, starting from the initial reduction schedule proposed by the non-iterative initialization algorithm and optimized by the Nelder and Mead method. The contribution of this thesis for this optimization phase consists in its proposal for an objective function to be minimized. This objective function takes into consideration the main product quality and process productivity attributes, i.e., thickness, flatness and the use of maximum available power, evenly distributed among all stands; (iii) finally, aiming at ensuring maximum precision for the model predictions, it is proposed an optimization algorithm to be used by an adaptation strategy, considering the difficulties to estimates two main rolling mill process variables: friction and yield stress coeficientes. Results extracted from an industrial four stand tandem cold mill, on which some of the proposal theories were implemented, are presented and discussed.

Profile strips have been used in various industries and now the demand of profile strip is still growing. Due to different reductions at different parts of the strips, profile strips after rolling generate a defect which looks like a wave. This study will design and manufacture a four-high profile rolling mill, which can roll profile strips. Experiments and finite element simulation are conducted to discuss the effects of different parameters on strip size and the defect of the profiled strips. In this study, a finite element analysis software is used to establish profile rolling models with different material setting mode, reduction, temperature, material, tension, and roll shape. From the simulation results, the effects of these parameters on the defects are discussed. Secondly, profiled rolls are designed and a heating equipment is added on the four-high rolling mill, and rolling experiments with different reduction, materials, passes of process, roll shape and temperature are conducted. From the experimental results the effects of these parameters on size of the defect of profile strip are discussed. Finally, from the comparisons between simulation results and experiment results, the feasibility of finite element models are verified.