REDEMAT
REDE T EMÁTICA EM E NGENHARIA DE MATERIAIS
UFOP – CETEC – UEMG
UFOP - CETEC - UEMG
Dissertação de Mestrado
Influência das Variáveis Físicas do Oscilador do
Molde nas Características das Marcas de Oscilação
das Placas de Lingotamento Contínuo
Resultados Metalúrgicos
Autor: Altemar Dettogne do Nascimento
Orientador: Prof. PhD Adilson Costa
Co-Orientador: Engº MSc Carlos Alberto Perim
Dezembro de 2008
REDEMAT
REDE TEMÁTICA EM ENGENHARIA DE MATERIAIS
UFOP – CETEC – UEMG
UFOP - CETEC - UEMG
Altemar Dettogne do Nascimento
Influência das Variáveis Físicas do Oscilador do Molde nas
Características das Marcas de Oscilação das Placas de Lingotamento
Contínuo
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa
de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais da
REDEMAT, como parte integrante dos requisitos
para a obtenção do título de Mestre em Engenharia
de Materiais.
Área de concentração: Processo de Fabricação
Orientador: Prof. PhD Adilson Costa
Co-Orientador: Engº MSc Carlos Alberto Perim
Ouro Preto, Dezembro de 2008
N244e
Nascimento, Altemar Dettogne do.
Influência das variáveis físicas do oscilador do molde nas características das
marcas de oscilação das placas de lingotamento contínuo [manuscrito] / Altemar
Dettogne do Nascimento. – 2008.
xv, 81f.: il. color., grafs., tabs.
Orientador: Prof. Dr. Adilson Costa.
Co-orientador: Carlos Alberto Perim.
Dissertação (Mestrado) - Universidade Federal de Ouro Preto. Escola de
Minas. Rede Temática em Engenharia de Materiais.
Área de concentração: Análise e seleção de materiais.
1. Oscilação - Teses. 2. Fricção - Teses. 3. Fundição contínua Teses. I. Universidade Federal de Ouro Preto. II. Título.
CDU: 534-16
Catalogação: [email protected]
i
Dedico esse trabalho a minha esposa
Suzi e aos meus filhos Douglas e
Rodrigo Serrano Nascimento
i
AGRADECIMENTOS
v A ArcelorMittal Tubarão pela oportunidade de aperfeiçoamento técnico, profissional e
pessoal, bem como pelos recursos financeiros que viabilizaram a elaboração deste
trabalho;
v Aos engenheiros Francisco Coutinho Dornelas e Dimas Bahiense Moreira por terem
possibilitado a realização desta conquista;
v Ao professor Adilson Rodrigues da Costa, pelos conhecimentos transmitidos, apoio e
orientação na elaboração deste trabalho;
v Ao engenheiro e amigo de trabalho Carlos Alberto Perim, pela co-orientação no
desenvolvimento do trabalho;
v Aos bolsistas Arlindo Lopes Faria, Marcello Melo e Fernando Gustavo, que
colaboraram na realização das simulações e caracterização metalográfica;
v
À minha esposa e filhos pelo apoio e paciência;
v Aos colegas de trabalho pela motivação.
ii
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS..............................................................................................................................................V
LISTA DE TABELAS.........................................................................................................................................VIII
LISTA DE SÍMBOLOS.........................................................................................................................................IX
RESUMO.................................................................................................................................................................X
ABSTRACT............................................................................................................................................................XI
1 INTRODUÇÃO.....................................................................................................................................................1
2 OBJETIVOS...........................................................................................................................................................3
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...............................................................................................................................4
3.1 LINGOTAMENTO CONTÍNUO..................................................................................................................... 4
3.2.OSCILAÇÃO DO MOLDE E FORMAÇÃO DAS MARCAS SUPERFICIAIS NAS PLACAS
.................................................................................................................................................................................11
3.3 SOLIDIFICAÇÃO DO MENISCO.................................................................................................................19
3.4 CONTROLE DAS VARIÁVEIS DE FORMAÇÃO DAS MARCAS DE OSCILAÇÃO...............................26
3.4.1 Influência do tempo de estripamento negativo..............................................................................................26
3.4.2 Influência da velocidade de extração ........................................................................................................... 29
3.4.3 Influência da temperatura do aço líquido ......................................................................................................29
3.4.4 Influência do fluxo de calor para o molde .....................................................................................................30
3.4.5 Influência do tipo de aço ................................................................................................................................31
3.4.6 Influência de impurezas do aço .....................................................................................................................32
3.4.7 Variação do nível de aço no molde ...............................................................................................................33
3.4.8 Influência do escoamento de aço no molde ...................................................................................................33
3.4.9 Influência do pó fluxante ...............................................................................................................................34
4 METODOLOGIA E PROCEDIMENTOS..........................................................................................................38
4.1 VARIÁVEIS DE ENTRADA .........................................................................................................................44
4.2 VARIÁVEIS RESPOSTAS ............................................................................................................................ 44
4.2.1 Espaçamento entre marcas de oscilação........................................................................................................44
4.2.2 Profundidade das marcas de oscilação .........................................................................................................49
4.2.3 Análise micro estrutural da marca de oscilação ...........................................................................................56
iii
4.2.3.1 Preparação da amostra ...............................................................................................................................56
4.2.3.2 Definição dos reagentes químicos e método de análise..............................................................................57
4.2.4 Quantificação de trinca transversal de quina na superfície da placa .............................................................60
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ......................................................................................................................61
5.1 TEMPO DE ESTRIPAMENTO NEGATIVO ............................................................................................... 61
5.2 ESPAÇAMENTO ENTRE MARCAS DE OSCILAÇÃO ..............................................................................64
5.3 ANÁLISE MICRO ESTRUTURAL DA MARCA DE OSCILAÇÃO ...........................................................65
6 CONCLUSÕES.................................................................................................................................................. 68
7 RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................................................70
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS............................................................................................................... 71
9 ANEXOS ............................................................................................................................................................75
iv
LISTA DE FIGURAS
Figura 3.1- Lay-out básico da máquina de lingotamento contínuo de placa ...........................................................7
Figura 3.2 - Fluxo térmico no gradiente molde e placa ........................................................................................ 9
Figura 3.3 - Esquema das zonas de resfriamento do linogtamento contínuo ........................................................10
Figura 3.4 - Efeito do abaulamento do veio provocado pela pressão ferrostática.................................................11
Figura 3.5 - (a) Marcas de oscilação na superfície da face estreita da placa com velocidade de 1,0 m/min e TN=
0,131 segundos, aço médio carbono micro ligado; a =0,40; (b) ocorrência de trinca transversal de quina após
escarfagem (ArcelorMittal Tubarão) .....................................................................................................................12
Figura 3.6 - Formação das marcas da oscilação durante o lingotamento contínuo sem o uso de pó fluxante
(Lopes, apud Sato)..................................................................................................................................................13
Figura 3.7 - Formação das marcas de oscilação no lingotamento contínuo com o uso de pó fluxante (Lopes,
apud Sato) ..............................................................................................................................................................14
Figura 3.8 - Formação das marcas de oscilação se iniciando com solidificação do menisco (Lopes, apud
Saucedo) .................................................................................................................................................................15
Figura 3.9 - Flutuação do menisco com a oscilação do molde (Lopes, apud Takeuchi et al.)..............................16
Figura 3.10 - Representação gráfica do movimento do menisco durante a sua formação em condições de
equilíbrio (Lopes, apud Suzuki et al.) ....................................................................................................................16
Figura 3.11- Três mecanismos de formação das marcas de oscilação .........................................................17
.
Figura 3.12 - Figura esquemática da profundidade, ângulo e comprimento do hook de solidificação..................19
Figura 3.13 - Interior de um molde de lingotamento contínuo (direita); fenômenos complexos ocorrem na região
de menisco (meio) e, marcas periódicas de oscilação (esquerda) em uma superfície de uma placa (Lopes, apud
Sengupta et al.)........................................................................................................................................................19
.
Figura 3.14 - Influência da marca de oscilação nas ocorrências de trincas transversais........................................21
Figura 3.15 - Trincas se propagam ao longo do filme da ferrita formada sobre a interface do grau austenítico
primário (superfície do topo e próximo a quina) ....................................................................................................21
Figura 3.16 - Mecanismo de formação do gancho e marca de oscilação em uma placa de aço ultra baixo carbono
(Lopes, apud Sengupta et al.) .................................................................................................................................23
Figura 3.17 - Características do gancho em amostras de aço de ultra baixo carbono: micrografia óptica
mostrando: (a) ponto fragilizante formado por uma bolha de argônio para um tipo de gancho, e (b) fratura da
extremidade de um gancho (Lopes, apud Sengupta et al.) ....................................................................................25
Figura 3.18 - Representação do estripamento negativo ........................................................................................26
Figura 3.19 - Tempo de estripamento negativo versus freqüência de oscilação................................................... 27
Figura 3.20 - Trinca transversal e potencial de sticker vs tempo de estripamento negativo (Kawasaki Steel) .....28
Figura 3.21 - Temperatura do aço no distribuidor vs espessura e profundidade do gancho no menisco ..............29
Figura 3.22 - Influência do inserto de cromo (faces estreitas do molde) na extração de calor no molde com
velocidade de lingotamento = 1,3 m/min ...............................................................................................................31
v
Figura 3.23 – Efeito do teor de carbono na profundidade da marca de oscilação.................................................31
Figura 3.24 - Profundidade da marca de oscilação versus percentagem de carbono.............................................32
Figura 3.25 - Taxa de consumo de pó fluxante (por ciclo) vs tempo de estripamento positivo e negativo ..........35
Figura 3.26 - Parâmetros do oscilador do molde: senoidal e assimétrico .............................................................36
Figura 3.27 - Efeito da onda não senoidal no valor de fricção líquida (fl) ...........................................................37
Figura 3.28 - Relação entre velocidade de lingotamento e força máxima de fricção (Ff max) em um ciclo de
oscilação .................................................................................................................................................................37
Figura 4.29 - Módulo de oscilação do molde - lingotamento contínuo 3 (ArcelorMittal Tubarão) .....................40
Figura 4.30 - Movimento hidráulico da haste do atuador do molde - lingotamento contínuo 3 (ArcelorMittal
Tubarão) .................................................................................................................................................................41
Figura 4.31 - (a) Corte transversal da placa; (b) Cortes laterais da placa e (c) fotografia de uma das laterais
cortadas da placa (Fonte: LESTA) .........................................................................................................................45
Figura 4.32 - Interface do software Quantikov, apresentando a função aritmética de soma entre duas imagens.
Neste caso, está sendo adicionada à imagem grelha a fotografia da superfície da placa de lingotamento contínuo
(Fonte: LESTA) ......................................................................................................................................................46
Figura 4.33 - Distribuição das distancias entre as marcas de oscilação no lingotamento contínuo de placas nº 2
da Arcelor Mittal Tubarão para um aço com freqüência de oscilação de 186 cpm e velocidade de lingotamento=
1,6 m/min – amostras I e II (Fonte: LESTA)..........................................................................................................48
Figura 4.34 – Vista geral do protótipo de rugosímetro óptico. Estrutura de sustentação, detector de luz refletida
(1), laser (2), placa de madeira com estrias para calibração (3) e controlador da velocidade de deslocamento da
mesa (4) ..................................................................................................................................................................50
Figura 4.35 - Detalhe do detector de luz refletida (1) ...........................................................................................51
Figura 4.36 - (a) Conversor analógico/digital do sinal luminoso oriundo do detector de luz refletida
(fotomultiplicador); (b) Protótipo com amostra de placa de aço na posição de medição da profundidade da marca
de oscilação ............................................................................................................................................................51
Figura 4.37 - Representação esquemática do método proposto para varredura óptica da superfície de amostras de
placas de lingotamento contínuo ............................................................................................................................52
Figura 4.38 - Diagrama típico: modulação serrilhada da reflectância segundo uma pista perpendicular às marcas
de oscilação em uma placa real. Os picos laterais extremos correspondem à reflexão fora da placa
.................................................................................................................................................................................54
Figura 4.39 - Diagrama registrando modulação da reflectância na placa de referência (placa de madeira
ranhurada). Notar a variação de largura dos picos em função da distância entre marcas ......................................54
Figura 4.40 - Representação da amostra obtida da face estreita da placa para análise microscópica da região
próxima a marca de oscilação (OM) ......................................................................................................................57
Figura 4.41 - Microestrutura do ferro atacado com reativo Klemm, revelando inclusões de fósforo ...................58
Figura 4.42 - Microestrutura do ferro atacado com reativo Klemm, revelando regiões contendo baixo fósforo em
tons azulados ..........................................................................................................................................................58
Figura 4.43 - Fotografia do aço cementado produzido em 1941 ..........................................................................59
Figura 4.44 - Perfil de microestrutura do aço cementado utilizando reativo Klemm ............................................60
vi
Figura 5.45 - Estripamento negativo versus valor de (a) ......................................................................................61
Figura 5.46 - Comparativo de tn para valores de (a) 40 e 0% faixa de carbono= 0,071~ 0,50% .........................62
Figura 5.47 – Ocorrência de trinca de quina versus largura de placa. Aço médio carbono micro ligado (c= 0,13 ~
0,18%; mn= 0,9 ~1,5%; nb= 0,015 ~ 0,030%; v= 0,030 ~ 0,048%) ......................................................................63
Figura 5.48 - Disposição dos bicos de spray: segmento zero - ponto de dobramento (lingotamento contínuo 3)
.................................................................................................................................................................................64
Figura 5.49 - Espaçamento entre marcas de oscilação: calculado versus medido. Aço médio carbono micro
ligado ......................................................................................................................................................................65
Figura 5.50 - Regiões de um aço médio carbono (0,165% c) micro ligado ao nióbio atacadas com reativo
Klemm, revelando áreas ricas em inclusões e micro segregação, em uma direção preferencial na região adjacente
a marca de oscilação ...............................................................................................................................................66
Figura 5.51 - Regiões de um aço médio carbono (0, 165% c) micro ligado ao nióbio atacadas com reativo
Klemm (a) risco intencional para facilitar a identificação da região nos próximos registros
.................................................................................................................................................................................67
Figura 5.52 - Regiões de um aço médio carbono (o,165% c) micro ligado ao nióbio atacadas com reativo Klemm
e sobre-atacadas com nital, correlacionando a distribuição das inclusões com a micro-estrutura (Fonte: LESTA)
.................................................................................................................................................................................67
vii
LISTA DE TABELAS
Tabela IV.1 – Principais características do lingotamento contínuo 3 da ArcelorMittal
Tubarão ....................................................................................................................................38
Tabela IV.2 - Valores de ak para taxa de não senoidal (a) de 40% ......................................42
Tabela IV.3 - Critérios para realização de experimento no aço M/C ligado..........................43
Tabela IV.4 – Dados da placa de lingotamento contínuo........................................................45
Tabela IV.5 – Classes de distâncias entre as marcas de oscilação ..........................................47
viii
LISTA DE SÍMBOLOS
GAP = Espaço entre par de rolos dos segmentos;
CPM = Ciclos por minuto;
TN = Tempo de estripamento negativo;
a
= Taxa de modificação para não senoidal (%)
ix
RESUMO
A função do oscilador do molde no processo de lingotamento contínuo é possibilitar que a escória líquida de
fluxante penetre nas interfaces das placas do molde e “pele”, em solidificação, evitando a ocorrência de sangrias
e breakout.
Em contrapartida, o processo de oscilação gera ranhuras na superfície da placa, que se formam a cada ciclo de
oscilação do molde, e dependendo da intensidade desta marca pode gerar recusas do produto final após
conformação mecânica, oriundos de trincas transversais de quina, micro porosidades, precipitados e inclusões,
sendo estes defeitos os mais comuns.
Na fase de desenvolvimento foi utilizado o oscilador do molde tipo eletro hidráulico do lingotamento contínuo 3
da ArcelorMittal Tubarão.
Variáveis físicas do oscilador do molde, transplantadas da literatura, tais como: freqüência, amplitude e tempo de
estripamento negativo foram avaliadas através de experimentos em blocos, nos aços médio carbono micro
ligado, visando conhecer a correlação com os resultados metalúrgicos. Observou-se que para baixos valores de
estripamento negativo (0,09 a 0,131 segundos) e aplicação de a= 40% não houve nenhuma ocorrência de falta
de lubrificação na interface molde e placa, ou seja, sem alarme de colamento da pele. As ocorrências de trincas
transversais de quina foram dentro dos padrões ArcelorMittal Tubarão.
Buscou-se, ao longo deste trabalho, medir variáveis associadas às marcas de oscilação tais como o espaçamento
entre elas, a natureza dos defeitos (inclusões, porosidades, etc.) distribuídos ao longo das marcas e a
profundidade destas. Estas informações, quando reunidas, permitem compreender os fenômenos relacionados à
solidificação no lingotamento contínuo e avaliar a qualidade do processamento e os reflexos sobre a qualidade
metalúrgica do produto.
Para avaliação dos resultados metalúrgicos, os recursos utilizados para tal finalidade incluíram um software
(Quantikov) para análise de imagens, a microscopia óptica e um equipamento de varredura óptica, denominado
Rugosímetro Óptico, este último desenvolvido pela ArcelorMittal Tubarão e UFOP.
Os resultados obtidos estão coerentes com aqueles divulgados na literatura especializada e com os padrões
operacionais adotados na Empresa.
De posse dos resultados metalúrgicos e conhecimento de trabalhos técnicos realizados espera-se otimizar o uso
do oscilador do molde em função da composição química do aço.
x
ABSTRACT
The function of the mould oscillator in the continuous casting process is to make possible that the flux powder
liquid slag enters the interfaces between the mould plates and the solidifying skin preventing bleeding and
breakout.
However, the oscillation process generates grooves on the slab surface at each mould oscillation cycle and
depending on the intensity of the mark the final product can be rejected after mechanical conformation due to
defects such as transversal edge cracks, micro porosities, precipitates, and inclusions.
The electro hydraulic mould oscillator of ArcelorMittal Tubarao continuous casting machine 3 was used in the
development phase.
Physical variables of the mould oscillator, transferred from literature, such as: frequency, amplitude and negative
stripping time were evaluated through the experiments in blocks, in micro -alloyed medium carbon steel aiming
to know the correlation with the metallurgical results. It was observed that for low negative stripping values
(0.09 to 0.131 seconds) and application of a= 40% there was no lack of lubrication in the mould-slab interface,
i.e., there was no sticking of the skin. The occurrence of transversal edge cracks were within ArcelorMittal
Tubarao’s standards.
Throughout this work we searched to measure the variables associated to the oscillation marks such as the
distance between them, the nature of the defects (inclusions, porosity, …) distributed along these marks and their
depth. This information, when put together, makes it possible to understand the phenomena related to
solidification in continuous casting, to evaluate the processing quality and the reflex on the quality of the
metallurgical process.
The resources used to evaluate the metallurgical results included a software (Quantikov) to analyze the images,
the optical microscopy and an optical sweeping equipment called Optical Rugosimeter, the latter developed by
ArcelorMittal Tubarao and UFOP.
The results obtained are consis tent with those divulged in the specialized literature and the operational standards
adopted by the Company.
Based on the metallurgical results and the knowledge from technical works carried out it is expected the
optimization of the use of the mould oscillator according to the chemical composition of the steel.
xi
1 INTRODUÇÃO
O mercado atual de aço tem exigido dos centros de pesquisas e unidades de fabricação o
desenvolvimento de processos de fabricação de aço, visando atender as exigências cada vez
mais rígidas das aplicações.
Neste contexto, a Aciaria assume grande valor potencial de estudo, uma vez que, além de
agregar cerca de 30% ao custo do produto acabado, ainda pode ser responsável pela maioria
dos defeitos observados pelo cliente final.
A demanda de aços microligados, como exemplo, para fins petrolíferos, tem aumentado muito
nos últimos anos, sendo que os índices de recusas do produto estão relacionados em parte com
a ocorrência de trinca transversal no processo de lingotamento.
Um dos mecanismos de formação deste tipo de trinca está relacionado ao aspecto da marca de
oscilação na superfície da placa, conjugado com outras variáveis de processo.
A trinca transversal em aços micro ligados invariavelmente aparece na base da marca de
oscilação, sendo importante conhecer o mecanismo de sua formação [1].
Estudos recentes demonstram que aços ultra baixo carbono apresentam uma maior
probabilidade de ocorrência do hook, que tem relação direta com a concentração de inclusões
não metálicas e micro porosidades na região adjacente à marca de oscilação.
Em cada ciclo de oscilação do molde ocorre à formação de uma ranhura circunferencial na
superfície da placa ou “marca de oscilação”. As marcas de oscilação se apresentam,
geralmente, eqüidistantes ao longo do comprimento da placa e com superfície regular [49] .
O projeto de oscilação do molde é um dos outros parâmetros que deve ser considerado quando
da definição do modelo de oscilação.
Neste caso, certos projetos de molde permitem operar com curva de oscilação assimétrica ou
não senoidal.
1
No presente estudo, buscou-se um entendimento mais abrangente da marca de oscilação tanto
em nível de pesquisa bibliográfica quanto na realização de experimentos, visando o
desenvolvimento de uma metodologia adequada à caracterização dos defeitos. Os
procedimentos experimentais, uma vez validados, servirão de base para a implantação de
rotinas operacionais condizentes com as exigências de qualidade dos produtos.
2
2 OBJETIVOS
O objetivo geral desse trabalho é contribuir para um melhor entendimento do mecanismo da
formação da marca de oscilação nas placas produzidas no lingotamento contínuo da
ArcelorMittal Tubarão, o que nos permitirá:
•
Avaliar a influência da marca de oscilação na ocorrência de trinca transversal, micro
porosidades, inclusões e precipitados nesta região, acarretando defeitos, defeitos estes
que comprometem as operações posteriores;
•
Otimizar o uso do oscilador do molde em função da composição química do aço,
apoiando-se no conhecimento existente e no que vier a ser produzido a partir deste
trabalho, tendo como subsídio trabalhos técnicos realizados, bem como na realização
de experimentos.
•
Desenvolver metodologia para medição das características das marcas de oscilação,
como profundidade e espaçamento entre marcas de oscilação e avaliar os desvios
associados ao processo.
3
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 LINGOTAMENTO CONTÍNUO
Um histórico simplificado do desenvolvimento do lingotamento contínuo pode ser
apresentado da seguinte maneira [2]:
•
1846 - Henry Bessemer apresentou a primeira proposta do processo, destinado a
produção de placas. A engenharia da época e a falta dos materiais necessários
impossibilitaram a introdução em escala industrial;
•
1927/1937 - Siegfried Junghaus (Alemanha) desenvolveu estudos sobre lingotamento
contínuo de metais e conseguiu produzir ligas de cobre e alumínio por este processo;
•
1950 - Siegfried Junghaus construiu a primeira máquina de lingotamento contínuo de
aço com apenas 01 (um) veio;
•
1955 - na Rússia entra em operação a primeira máquina de lingotamento contínuo de
aço em escala industrial;
•
1960 - entra em operação, no Brasil, a primeira máquina de lingotamento contínuo de
tarugos, e em 1976 entra em operação a primeira máquina de placas;
•
2001 - a produção de aço via lingotamento contínuo representa mais de 95% do aço
produzido no mundo.
Em relação ao lingotamente convencional, o lingotamento contínuo tem se tornado um
processo estratégico para a indústria siderúrgica.
Atualmente a China tem se destacado em termos de produção, em função do crescimento da
economia interna, baixos custos de matéria prima e mão de obra.
Desde o surgimento do lingotamento contínuo, o desenvolvimento de produtos semi-acabados
pelo mundo inteiro sofreu uma verdadeira revolução, sendo que esta se fez mais visível
através dos fatores econômicos do processo produtivo, e ainda em termos de qualidade
superficial e interna do produto.
Comparado ao lingotamento convencional, o lingotamento contínuo representa grande
4
economia tanto em equipamentos e espaço físico, como também em relação ao custo.
Assim ocorre devido a:
•
Aumento substancial no rendimento da transformação do aço líquido em produto
semi-acabado;
•
Extinção de muitos custos em relação ao processo convencional (lingoteiras, materiais
refratários, etc);
•
Eliminação dos fornos, poços e laminadores desbastadores;
•
Melhor qualidade de superfície das peças, eliminando defeitos provenientes do
processo de lingotamento convencional e laminação;
•
Redução do consumo de energia;
•
Redução de custos com mão de obra;
•
Melhorias das condições ambientais de trabalho.
No entanto, para garantir a qualidade do produto, faz-se necessário o uso de técnicas apuradas
de processo e metalurgia de panela.
Destacam-se as seguintes variáveis:
•
A composição química do aço deverá ser balanceada em termos de soluto,
principalmente teores de fósforo e enxofre, visando reduzir a segregação no núcleo da
placa ou tarugos;
•
O Gap entre rolos deverá ser dimensionado de tal forma a compensar a contração de
solidificação e evitar a formação de trincas transversais internas. Atualmente algumas
máquinas de contínuo são providas da técnica de Soft Reduction, que permite
aumentar a região equiaxial no core zone, reduzindo a concentração de soluto na
frente de solidificação;
•
O processo de desoxidação do aço deverá ser provido de processo de flotação de
inclusões através de técnicas de rinsagem, com argônio e a adição de escória sintética
na panela;
•
A densidade de resfriamento secundário deverá ser definida em função das
características do aço quanto a sensibilidade de formação de trincas durante o processo
5
de solidificação;
•
Dimensionamento da capacidade do distribuidor e direcionadores de fluxo para
reduzir as regiões de estagnação e aumentar o tempo de residência do aço entre
distribuidor e molde;
•
Especificação de pós fluxantes compatíveis com a composição química do aço,
visando manter filme homogêneo de lubrificação na interface molde e aço de tal forma
a evitar a formação de trincas longitudinais na superfície e rompimento da pele
solidificada no molde.
A figura 3.1 mostra um lay-out básico de uma máquina de Lingotamento Contínuo, cujos
principais componentes são caracterizados a seguir:
•
Torre de panela;
•
Carro distribuidor e distribuidor;
•
Carro de barra falsa (em projetos específicos, a inserção é realizada sentido inverso ao
lingotamento);
•
Molde;
•
Oscilador;
•
Segmentos;
•
Máquina de corte;
•
Balança de placa;
•
Marcador;
•
Rebarbador;
•
Pontes rolantes
6
Torre giratória
Distribuidor
Molde/Oscilador
Segmentos
Máquina Corte
Barra Falsa
Figura 3.1 Lay-out básico da máquina de lingotamento contínuo de placas
Antes de iniciar o lingotamento da corrida, uma barra falsa é inserida no veio, pelo topo,
através do equipamento “carro de barra falsa” ou pela parte inferior da máquina, através dos
rolos extratores até a região superior do molde.
Após esta fase é realizada a selagem da cabeça de barra falsa, utilizando materiais cerâmicos e
refrigerantes.
Após o giro da torre, a válvula inferior da panela é acoplada a válvula longa, e o aço líquido é
vazado ao distribuidor, que tem por finalidade principal regular o fluxo de aço líquido para
um ou mais moldes.
Quando o metal atinge uma altura pré-determinada, abre-se a válvula do distribuidor
iniciando-se o enchimento do molde por meio de um tubo refratário (válvula submersa).
O aço rapidamente solidifica ao contato com a cabeça de barra falsa que é então extraída,
utilizando uma curva de aceleração de máquina, até atingir a velocidade recomendada,
definida em função da produtividade e qualidade requeridas do produto.
Impõe-se um fluxo térmico pelas paredes do molde (figura 3.2), que são placas de ligas de
cobre refrigeradas à água, onde se processa o resfriamento primário, com o objetivo de formar
7
uma camada solidificada com uma espessura tal que a torne resistente para suportar a pressão
ferrostática do líquido e as solicitações mecânicas externas.
Durante todo o processo o molde está sujeito a um movimento de oscilação vertical que
permite facilitar a lubrificação na interface molde e pele.
Logo que deixa o molde, o veio é guiado por rolos, e o resfriamento se efetua por contato
direto com a água de uma bateria de bicos de spray e por radiação térmica.
Estas regiões são denominadas resfriamentos secundários (figura 3.3).
O resfriamento por sprays deve ser realizado de tal modo que a superfície seja resfriada de
forma contínua, e tenha uma temperatura mais constante possível em toda a superfície de uma
secção transversal do veio.
Para facilitar o controle da extração de calor, a região é dividida em diversas zo nas.
Atualmente estão sendo utilizados modelos térmicos que permitem calcular dinamicamente o
volume de água de spray por zona de resfriamento utilizando o sistema “Euler” (sistema fixo)
onde:
∂H
∂H
∂  ∂T 
+v
= k

∂t
∂z ∂x  ∂x 
H: Entalpia (J/m3 )
t : tempo (s)
k : condutividade térmica (W/m . o C)
v : velocidade de lingotamento (m/s)
T: temperatura (o C)
x : direção da espessura (m)
8
Condições de contorno:
k
∂T
∂x
∂T
∂x
=0
x =0
x =sup erfície
(
)
= h ⋅ (Ts − T∞ ) + ε ⋅ σ ⋅ (Ts + 273) − (Ta + 273) + Qm
4
4
Válvula Submersa
Face Estreita
Jaqueta Placa
de Cobre
Cordão
Escória
Placa
Cobre
Aço Líquido
( sob fluxante)
SEN
Fluxante
Esc. L íquida
ga
lar
ce
Fa
Escória
Fluxante
Marca
Oscilação
Penetração
Bolhas
Argônio
Ângulo
Vá l
Jato
Resistências
Aço l íquido
Gap de
Ar
Inclusões
Pele Sólida
Rolos (Segmentos)
Veio (Placa)
Solidifica ção “zona pastosa ”
Água
Resfri.
Molde
“ pele ”
Sólida
Líquido
Resistências
Térmicas
•Condução através do
Líquido
(somente super aquec .)
Temperatura (o C)
k
•Condução através “pele”
•Condução através gap
•Condução através do
Gap
Distância (mm)
•Condução através do
Molde
•Convecção Água
Resfriamento
Figura 3.2 Fluxo térmico no gradiente molde e placa [39]
9
Radiação
Spray
Figura 3.3 Esquema das zonas de resfriamento do lingotamento contínuo [38]
Logo abaixo do molde, desde que a espessura do sólido seja pequena, existe a tendência de
abaulamento devido à pressão ferrostática, em função da espessura de pele solidificada na
ordem de 25 mm, como mostrado esquematicamente na figura 3.4, sendo necessário utilizar
rolos de pequeno diâmetro, bastante próximos e maior vazão de água (Zo na I).
Esta zona é de vital importância para o sucesso da operação. Para o caso do lingotamento
contínuo de placas, o controle do resfriamento é normalmente realizado dividindo-se a
primeira zona em sub- zonas independentes [37] .
Normalmente, a refrige ração das faces estreitas é feita somente na Zona I através de rolos
suportes e bicos de spray com alta densidade. Nas demais zonas, são projetadas grades de
spray com objetivo de propiciar resfriamento uniforme da superfície da placa.
Existem máquinas de lingotamento que são projetadas para ajustar a largura de spray, no
segmento, em função da largura da placa, visando reduzir o efeito de super-resfriamento na
borda da placa, de forma a minimizar as ocorrências de trincas de quina, principalmente em
aços micro ligados.
10
Abaulamento
Sucção da fase líquida
segregada interdentrítica
para a região central
Escoamento da fase líquida da
linha central para as zonas
interdentríticas
Figura 3.4 Efeito do abaulamento do veio provocado pela pressão ferrostática [38]
À medida que o veio caminha no resfriamento secundário, com o gradual aumento da
espessura solidificada, torna-se cada vez mais importante a resistência térmica por condução
no aço sólido, devendo-se reduzir proporcionalmente a quantidade de água dos sprays até o
ponto final de solidificação. Esta redução de água é necessária para manter a temperatura da
superfície da placa fora da região de baixa dutilidade e reduzir a força de tração durante o
desdobramento da placa (menores desgastes dos rolos dos segmentos).
Para que seja mais efetiva a remoção de calor, aplicam-se bicos de sprays onde a água sofre
atomização com ar comprimido.
Após as placas saírem do último segmento, a mesma é cortada em comprimentos requeridos
pelo processo subseqüente (laminação)
As próximas fases são marcar a placa, visando a sua identificação e rastreabilidade
no
processo, pesagem e eliminação de rebarbas de corte.
3.2 OSCILAÇÕES DO MOLDE E FORMAÇÃO DAS MARCAS
SUPERFICIAIS NAS PLACAS
Os primeiros instantes do processo de solidificação são extremamente importantes no que se
refere à qualidade superficial do produto.
Este aspecto é mais significativo ainda quando se trata de solidificação em moldes com
11
elevadas taxas de resfriamento, como é o caso do lingotamento contínuo [37].
Quando um metal líquido é vazado contra a parede de um molde, espera-se que a superfície
solidificada assuma a regularidade da superfície de resfriamento do molde. Entretanto, no
caso de solidificação em condições de resfriamento rápido, a superfície se apresenta irregular
com marcas ao longo do perímetro da placa.
O lingotamento contínuo se diferencia dos demais processos de solidificação porque, além de
maior taxa de extração de calor, possui o sistema de oscilação de molde, que determina a
formação das marcas de oscilação [37].
O objetivo do oscilador do molde é evitar a colagem da pele solidificada à face interna do
molde, o que poderia causar o rompimento da crosta ainda fina, pelo aparecimento de
esforços de tração naquela região, ajudados ainda mais pela pressão ferrostática. Porém, o
movimento oscilatório do molde promove o aparecimento de marcas de oscilação, como
mostrado na figura 3.5. Estas marcas podem atuar como pontos de concentração de esforços,
tornando o material mais suscetível a trincas transversais, quando deformado, prejudicando a
qualidade do aço lingotado [4]
(a)
(b)
Figura 3.5. (a) Marcas de oscilação na superfície da face estreita da placa com velocidade de 1,0 m/min e tn=
0,131segundos, aço médio carbono micro ligado; a =0,40; (b) Ocorrência de trinca transversal de quina após
escarfagem (Fonte: ArcelorMittal Tubarão)
12
O desenvolvimento do sistema de oscilação de molde foi um dos maiores impulsores do
processo de lingotamento contínuo. Historicamente, a oscilação de molde foi aplicada para
aços inicialmente em 1949 em 2 (duas) plantas-piloto construídas independentemente por
Junghans e I. Rossi [37].
Segundo Sato
[5]
a formação de um menisco "secundário" é causada pelas variações de
pressão provocadas pela oscilação do molde. É sugerido por ele que as marcas sejam
formadas em duas etapas, primeiramente a casca sólida do menisco é erguida devido ao
movimento ascendente do molde causando a formação de duas superfícies convexas, ab e bc
(figura 3.6).
Então, quando o molde entra em movimento descendente, as duas superfícies convexas são
comprimidas dando forma à marca. A figura 3.6 ilustra a formação de uma marca durante o
processo de lingotamento contínuo sem o uso de pó fluxante e a figura 3.7 demonstra a
formação de uma marca durante o processo de lingotamento contínuo, mas dessa vez com uso
de pó fluxante [5]. Vejamos:
Figura 3.6 Formação das marcas da oscilação durante o lingotamento contínuo sem o uso de pó fluxante
(Lopes [46], apud Sato [5])
13
Figura 3.7 Formação das marcas de oscilação no lingotamento contínuo com o uso de pó fluxante (Lopes
[46]
, apud Sato [5])
Em 1980, Saucedo et al.
[6]
apresentaram um trabalho no qual foi deduzido que as marcas da
oscilação - ou ondulações, se formam devido à solidificação do menisco. Os autores sugerem
que nenhuma marca se formará se a taxa de extração de calor for pequena.
Em 1991, Saucedo
[7]
apresentou uma teoria mais detalhada: as marcas de oscilação são
formadas quando a oscilação força o metal líquido a recuperar o contato com a parede do
molde. Isto pode acontecer de dois modos: por transbordamento de metal líquido, ou por
dobramento da casca sólida para o molde devido à pressão ferrostática.
Também é possível que os dois processos se combinem
[7]
. A figura 3.8 apresenta diferentes
modos em que o metal líquido pode entrar em contato com a parede do molde acima do
menisco formado. A marca da esquerda é geralmente denominada de marca de dobramento, e
a marca do centro é chamada de marca de excesso.
14
Figura 3.8 Formação das marcas de oscilação se iniciando com solidificação do menisco (Lopes [46], apud
Saucedo) [7]
Em 1980, Tomono et al. [8] realizaram experiências com substâncias orgânicas. Foi observado
que a formação dos dois tipos de marca, isto é, marcas de dobramento e marcas de excesso,
ocorrem por razões diferentes.
As marcas de oscilação se formam quando o menisco é submetido a forças compressivas por
partículas que aderem à parede, e as marcas de dobramento se formam independentemente da
oscilação.
Em 1984, Takeuchi e Brimacombe
[9]
descreveram como a pressão no cordão de escória
líquida varia e traciona o menisco para a parede do molde durante o estripamento negativo. A
diferença de resistência da pele do menisco ocasiona a formação de marcas com ou sem
ganchos. Assim, se a pele é forte, acontecerá um transbordamento e haverá a formação de um
gancho como conseqüência; se a pele é mais fraca, a casca é simplesmente comprimida contra
a parede, dessa forma não haverá nenhum transbordo de metal líquido e nenhum gancho se
forma.
A figura 3.9 descreve como o menisco obedece à oscilação do molde [9][10][11]. De acordo com
essa figura, o menisco passa uma por uma variação de raio de curvatura provocada pela
15
oscilação do molde.
Figura 3.9 Flutuação do menisco com a oscilação do molde (Lopes [46], apud Takeuchi et al.[9])
Em 1986, Suzuki et al. [12] apresentaram uma teoria para a formação da marca de oscilação.
Seu modelo assume um controle do mecanismo da sobreposição ao da formação. O menisco
com tensão superficial em equilíbrio com a casca move-se para cima à medida que a casca
sólida cresce para dentro, conforme demonstrado na figura 3.10.
Figura 3.10 Representação gráfica do movimento do menisco durante a sua formação em
condições de equilíbrio (Lopes [46], apud Suzuki et al. [12])
16
Delhalle et al. descreveu, em um trabalho de 1989, baseado na teoria da solidificação da
primeira pele no molde, três mecanismos diferentes para a formação das marcas de oscilação
(figura 3.11).
Figura 3.11 Três mecanismos de formação da marca de oscilação [13]
Estes mecanismos foram baseados na solidificação referente à parte curva do menisco (hook).
O comprimento e forma da marca de oscilação dependem da taxa de transferência de calor no
molde, do padrão de oscilação e das características do aço.
O primeiro mecanismo (A) assume que devido aos efeitos da oscilação do molde e extração
da placa, e, portanto, o movimento da pele solidificada, ocorre o transbordo de aço líquido na
região curva do menisco, consequentemente a formação de novo hook de solidificação.
O segundo mecanismo (B) é uma variação do primeiro. Assume a ocorrência de uma total ou
parcial refusão do hook.
O terceiro mecanismo (C) é baseado no encurvamento do hook de solidificação contra a
17
parede do molde sobre o efeito da pressão ferrostática. O resultado deste fenômeno gera uma
depressão transversal na superfície do produto [13].
Lainez e Busturia realizaram um trabalho para determinar exatamente quando a marca de
oscilação se forma. Eles propuseram que a solidificação não se iniciasse no menisco, mas um
pouco mais abaixo no molde. Além disso, os autores correlacionaram a formação da marca de
oscilação com esta região e concluíram que este ponto seria aquele onde a velocidade de
estripamento do molde atingiria o máximo [14] .
Emi et al.
[23]
e Mizukami et al.[22] propuseram que durante o período de estripamento
negativo ocorre uma pressão hidrodinâmica em interação com a escória líquida do pó
fluxante, que empurra a borda do meniscus na direção da fase líquida do aço no molde.
A escória líquida do pó fluxante é bombeada dentro do canal entre o aço e o molde, através do
slag rim que está anexado a parede do molde. No final do período de estripamento negativo,
quando o molde e o veio movem na direção de lingotamento com a mesma velocidade, a
pressão do fluxante é aliviada, e a pressão ferrostática atua gerando o transbordo de aço na
região parcialmente solidificada do meniscus, criando o hook.
Em certos tipos de aço o meniscus é empurrado na direção da parede do molde, neste caso, o
fenômeno hook não é criado. O hook se manifesta adjacente à marca de oscilação.
Existem muitas teorias referentes ao mecanismo de formação de micro segregação na base da
marca de oscilação. O estudo do ângulo de solidificação (hook) com a superfície da placa é
muito importante para avaliar a concentração de micro segregação. Um maior ângulo presume
em maior segregação devido ao dobramento e compressão quando comparado com menor
ângulo (figura 3.12) [44].
18
Figura 3.12 Figura esquemática da profundidade, ângulo e comprimento do hook de solidificação [44]
3.3 SOLIDIFICAÇÕES DO MENISCO
As marcas de oscilação mostradas na figura 3.13 são observadas na superfície de placas de
aço provenientes do lingotamento contínuo [10][15][16].
Também são mostrados os ganc hos, que são uma característica micro estrutural subsuperficial que acompanha, em profundidade, as marcas de oscilação em aços com baixo teor
de carbono (< 0.10 %)
[17][18].
Esta diferente sub-superfície micro estrutural ocorre
aproximadamente de 2 a 4 mm abaixo da superfície da placa.
Figura 3.13 Interior de um molde de lingotamento contínuo (direita); fenômenos complexos
ocorrem na região de menisco (meio) e marcas periódicas de oscilação (esquerda) em uma superfície de
uma placa (Lopes [46], apud Sengupta et al.) [33]
19
A formação das marcas reduz a qualidade superficial devido ao aparecimento de micro
segregação de partículas - como, por exemplo, o fósforo, o enxofre, bolhas de argônio,
alumina - ocasionando a formação de inclusões não metálicas e trincas transversais na região
onde se formam os ganchos [18][19] .
As trincas transversais se iniciam devido à estrutura de grão grosseiro e à presença de
precipitados fragilizantes, freqüentemente encontrados nesta região [10][20][21] .
Devido à redução da velocidade de resfriamento no sulco, a estrutura é mais grosseira abaixo
da marca de oscilação, isto é, o espaçamento secundário das dendritas é maior,
conseqüentemente, as micros segregações de elementos indesejáveis são mais intensas.
Takeuchi demonstrou que a intensidade de segregação depende da profundidade da marca de
oscilação [36] .
Se a estrutura de solidificação é grosseira, as estruturas de transformações posteriores tendem
a ser também grosseiras, podendo formar grandes grãos de austenita, nos contornos dos quais
ocorre precipitação de nitretos e carbonitretos, responsáveis pela formação e/ou propagação
de trincas transversais [37].
Em casos extremos, a superfície da placa inteira deve ser escarfada para a remoção destes
defeitos, resultando em perdas de produtividade e rendimento de processo. Birat et al.
demonstram a influência da marca de oscilação na ocorrência de trincas transversais (figura
3.14).
20
Profundidade OM & Depressões
Causas
-Alta Temperatura Local
-Grãos largos
-Concentração de Tensão
Molde
Gap
Trincas Transversais
“Pele”
Sólida
Figura 3.14 Influência da marca de oscilação nas ocorrências de trincas transversais [42]
Segundo Tsai H.T et al.[45] as ocorrências de trincas de quina (transversais) estão alinhadas
com as marcas de oscilação. Estas trincas se propagam ao longo do filme da ferrita formada
Direção Lingotam.
na interface do grau austenítico primário (figura 3.15).
1 mm
Trincas seguem a interface
do grão austenítico primário
Figura 3.15 Trincas se propagam ao longo do filme da ferrita formada na interface do grão austenítico
primário (superfície do topo e próximo a quina) [45]
Vários estudos
[7][9][10][13][16][17][18][19][22][23][25][26][31][32][33][34]
com aços baixo, médio e alto
carbono foram conduzidos no passado, na tentativa de explicar a formação dos ganchos e das
marcas de oscilação, pois são pontos importantes para aperfeiçoamento das condições de
lingotamento.
A maioria dos mecanismos propostos teve como base os eventos ocorridos próximo ao
menisco, o qual envolve uma grande complexidade; os fenômenos inter-relacionados estão
21
ilustrados na figura 3.13, vista anteriormente.
O molde ou o cordão de escoria podem interagir com a pele durante o período de
estripamento negativo, especialmente se o atrito do molde com a pele for suficiente para gerar
tensões axiais e deformações.
Dependendo das propriedades mecânicas do aço, mudanças no gradiente de temperatura
podem causar distorções na extremidade da pele sólida. Estes eventos sempre alteram a taxa
de solidificação próxima ao menisco e conseqüentemente, ditam as características do gancho
e das marcas de oscilação.
Entretanto, estes mecanismos demonstram explicações contraditórias e, muitas vezes, são
incompletos. Por exemplo, não há como prever que a formação dos ganchos se dará pelo
mecanismo de dobramento da extremidade inicial da pele solidificada ou solidificação do
menisco por transbordamento de aço líquido [7][25][26].
Semelhantemente, existem diferenças entre os mecanismos propostos para as marcas de
oscilação e depressões na superfície, nos quais se incluem a cicatrização das extremidades
cortadas e deslocadas da pele de aço [27][5][29] e a interação mecânica entre o molde e a pele [30];
da pele com dobramento e variações de temperatura
[31]
seguida de transbordamento líquido
pela extremidade da pele e subseqüente solidificação.
Um pouco da compreensão da solidificação inicial veio com as análises micrográficas da
estrutura do gancho. Emi et al.
[23]
observaram inicialmente que dendritas crescem
normalmente para a extremidade curvada do gancho.
Dentro de uma curta distância, elas mudam a orientação para o sentido da condução de calor
em direção ao molde e crescem aproximadamente perpendiculares às paredes do molde.
Segregações de fósforo e manganês podem ser observadas claramente ao longo da
microestrutura de um gancho apresentada por Takeuchi e Brimacombe
[10][16]
para aços-
carbono simples (0.09% < C <0.26%). Eles relacionaram este fenômeno ao efeito do fluxo de
calor gerado pelo transbordo de aço líquido para o interior das marcas de oscilação ao longo
22
da direção de lingotamento.
Harada et al.
[21]
, Yamamura et al.
[18]
, e Yamauchi et al.
[32]
compararam a formação de
ganchos em aços de diferentes teores de carbono, e concluíram que quanto menor o teor de
carbono, maior a susceptibilidade à formação de ganchos.
As análises feitas ao microscópio óptico e microscópio eletrônico de varredura, revelaram
uma nova informação relativa à formação do gancho em aços ultra baixo carbono.Tais
análises revelaram que:
i.A formação de gancho é iniciada com a solidificação de menisco. A formação
instantânea do menisco dita a curvatura da linha que dá origem ao gancho.Trabalho
recente estabeleceu que este evento normalmente ocorre no início do estripamento
negativo [33]. A figura 3.16 (a) ilustra, de forma esquemática este fenômeno;
ii.A espessura do gancho debaixo de sua linha de origem é formada pelo crescimento de
dendritas, originando locais de nucleação ao longo de sua extensão.
Escória
Escória
Escória
Líquida
Sólida
Gancho
Crescendo
Molde
Molde
Molde
Menisco
Transbor
dado
Menisco
Solidificando
S ólida
Linha de
Origem
Do
Gancho
Fratura
“Pele”
Crescendo
Novo
Gancho
“Pele”
Aço
Líquido
Molde
Escória
Líquida
Aço
Líquido
Aço
Líquido
Aço
Líquido
(b)
(c)
(d)
Gancho
(a)
Figura 3. 16 Mecanismo de formação do gancho e marca de oscilação em uma placa de aço ultra baixo
carbono (Lopes [46] , apud Sengupta et al.) [33]
23
iii. O contato direto entre o banho e a linha do menisco (linha de formação do gancho)
faz com que o metal líquido penetre entre as dendritas do gancho e se solidifique junto
com o gancho, onde é retido e é revelado durante a caracterização metalográfica;
iv. O menisco transborda sobre a linha de origem do gancho como mostrado na figura
3.16 (b). As dendritas nucleiam rapidamente no metal líquido transbordado sobre a
linha de origem do gancho em direção à parede do molde. O crescimento das dendritas
vai se desacelerando eventualmente à medida que a temperatura na região do menisco
vai aumentando. A extremidade do gancho é estabelecida a partir do momento em que
as dendritas vão assumindo tamanho grosseiro devido ao longo tempo de solidificação
no local [31];
v. O fluxo de metal líquido é mantido ao longo da linha de origem do gancho, conforme
demonstrado em análises por espectroscopia de raio-x (EDXS) e Microanálise por
Sonda Eletrônica (EPMA)
[33]
. Algum fluxo também é retido no interior da região
transbordada;
vi. A linha original do gancho é contínua e delimita regiões da microestrutura,
apresentando a ocorrência de duas transformações de fases distintas, reveladas por
uma Espectroscopia de Elétrons Retroespalhados (EBSD). Os grãos acima e abaixo da
origem da linha do gancho possuem claras diferenças de orientação cristalográfica
devido à sua formação em diferentes momentos entre o menisco solidificado e o metal
líquido transbordado;
vii. A configuração final do gancho se completa quando ele é fraturado, como mostrado
na figura 3.16 (c);
viii.A região de transbordamento solidificada dá origem às marcas de oscilação. O fluxo
de metal líquido nessa região é um fator determinante para o aspecto final do lado
superior dessas marcas. O gancho projeta-se para a pele solidificada aprisionando
inclusões e bolhas no metal ainda líquido até a sua total solidificação. Estes eventos
24
estão ilustrados na figura 3.16 (a) a (d).
A extremidade de gancho que foi fraturada, provavelmente durante o transbordamento do
metal liquido, foi revelada na microestrutura cristalizada, conforme mostrado em micrografia
na figura 3.17.
Assim, a forma e tamanho de ganchos e marcas de oscilação são determinados através de dois
eventos cruciais: (i) a curvatura da linha de origem de gancho como ditada pela formação
instantânea do menisco durante a sua solidificação; (ii) o formato do lado superior da marca
de oscilação, governada pela extensão de transbordamento do aço líquido[34].
Figura 3.17 Características do gancho em amostras de aço de ultra baixo carbono: micrografia óptica
mostrando: (a) Ponto fragilizante formado por uma bolha de argônio para um tipo de gancho, e (b)
Fratura da extremidade de um gancho (Lopes [46] , apud Sengupta et al.) [34].
25
3.4 CONTROLES DAS VARIÁVEIS DE FORMAÇÃO DAS
MARCAS DE OSCILAÇÃO
3.4.1 Influência do tempo de estripamento negativo
Muitas investigações têm sido realizadas para estudar a formação inicial da marca de
oscilação. Um dos parâmetros de controle é o tempo de estripamento negativo.
Este tempo corresponde ao intervalo em segundos, em cada ciclo de oscilação, em que a
velocidade do molde excede a velocidade de lingotamento (figura 3.18).
Velocidade (m/min)
Distância (mm)
Período= 1/freqüência
Amplitude Tempo (s)
Posição do Molde
Posição da “Pele”
Velocidade do Molde
Tempo (s)
Figura 17. Parâmetros do oscilador do molde.
Velocidade de Lingotamento
Tempo Estripamento
Molde Move com Velocidade > a “Pele”
Negativo
Figura 3.18 Representação do estripamento negativo [39]
Considerando oscilação senoidal, o estripamento negativo (tN) pode ser estimado através da
equação (1).
tN =
1
 V 
arccos
 .......................................................................................................(1)
πf
π
fS


tN = Tempo de estripamento negativo (s)
26
f = Freqüência de oscilação do molde (ciclos/s)
V = Velocidade de lingotamento (mm/s)
S = Amplitude total de oscilação do molde (mm)
O valor de πfS é a máxima velocidade instantânea do molde. Portanto, se V é igual ou maior
que πfS , não existe tempo de estripamento negativo. Subtraindo o tempo de estripamento
negativo do período 1 teremos o tempo de estripamento positivo.
f
A figura 3.19 demonstra a relação entre freqüência (cpm) e tempo de estripamento negativo
(tN).
Observa-se que para uma mesma freqüência de oscilação e velocidade de lingotamento, o tN
aumenta com maiores valores de amplitude de oscilação. Vários autores comentam que a
profundidade da marca de oscilação diminuiu com o aumento da freqüência de oscilação [5].
Para uma dada velocidade de extração existe um compromisso entre a obtenção de tN mínimo
para reduzir a profundidade das marcas de oscilação, compatível com uma fricção placa e
molde que não provoque problemas operacionais.
0,400
0,350
TNS (s) p/ Vc= 16,67 mm/s, Stroke= 6 mm
TNS (s) p/ Vc= 25 mm/s, Stroke= 6 mm
0,300
TNS (s) p/ Vc= 16,67 mm/s, Stroke= 10 mm
TNS (s) p/ Vc= 25,00 mm/s, Stroke= 10 mm
tN (s)
0,250
0,200
0,150
0,100
0,050
30
0
28
0
26
0
24
0
22
0
20
0
18
0
16
0
14
0
12
0
10
0
80
60
40
0,000
Frequência (cpm)
Figura 3.19 Te mpo de estripamento negativo versus freqüência de oscilação
Estudos realizados pela Kawasaki Steel demonstraram que a severidade da trinca transversal,
na base da marca de oscilação, decresce com a redução do tempo de estripamento negativo.
27
Por outro lado, baixos valores de tempo estripamento negativo (tN) afetam na lubrificação da
interface molde e pele com maiores riscos de sticker, e, consequentemente sangria de aço na
saída do molde (figura 3.20).
Valores típicos de tN estão na faixa de 0,09 a 0,30s.
4
1,0
Index de trinca transversal
0,6
2
0,4
Potencial de “ Sticker” (hipotético)
0,8
3
1
0,2
0
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
Tempo estripamento negativo (s)
Figura 3.20 Trinca transversal e potencial de sticker vs tempo de estripamento negativo (Kawasaki Steel)
Outra correlação bastante estudada é a relação entre a distância da marca de oscilação (pitch)
e a profundidade da marca de oscilação. Quanto maior o pitch, maior é a profundidade da
marca de oscilação, onde o pitch (l) é a relação entre a velocidade de lingotamento (V) e
freqüência de oscilação (f), equação (2).
l=
V
f
.....................................................................................................................................(2)
l= Distância da marca de oscilação (mm)
f = Freqüência de oscilação do molde (ciclos/s)
V = Velocidade de lingotamento (mm/s)
28
3.4.2 Influência da velocidade de extração
Além de influir no tempo de estripamento negativo, a velocidade de extração influencia na
solidificação do menisco da seguinte forma: com baixa velocidade o tempo de resistência do
aço na região do menisco é maior, promovendo uma solidificação mais intensa, que contribui
para conferir à esta camada maior dimensão e resistência à pressão do aço líquido,
dificultando o dobramento do menisco e favorecendo conseqüentemente o mecanismo de
transbordamento [34] .
3.4.3 Influência da temperatura do aço líquido
Um aumento no superaquecimento do aço deve implicar numa redução da extensão e
resistência do menisco, que resulta em menor probabilidade de formação do tipo marca de
oscilação na superfície, da placa, com gancho no menisco [33].
Segundo Shin et al.
[49]
, aços com menor temperatura do aço no distribuidor apresentam um
Média da Profundidade do Gancho (mm)
maior espessura e profundidade do gancho na região do menisco (figura 3.21)
Temperatura no Distribuidor (abaixo 15650C)
Temperatura no Distribuidor (acima 15650C)
Média da Espessura do Gancho (mm)
Figura 3.21 Temperatura do aço no distribuidor vs espessura e profundidade do gancho no menisco[49]
29
3.4.4 Influência do fluxo de calor para o molde
Na superfície do aço líquido, é adicionado pó fluxante. Este se funde criando uma camada
líquida contínua no contorno da superfície do aço fornecendo isolamento térmico para o
metal.
No lingotame nto contínuo, o fluxo de calor da placa para o molde ocorre com maior
intensidade na região próxima ao menisco e tem sido demonstrado que a profundidade das
marcas de oscilação diminui com a redução do fluxo de calor. Menisco mais quente reduz a
formação do gancho.
Este fato pode se explicado pela influência da retirada de calor sobre a formação do menisco,
isto é, quanto menor a retirada de calor, menor resistência terá o menisco sólido [33] .
Delhalle et al.
[13]
realizaram experimentos com três tipos de materiais, inseridos nas faces
estreitas do molde, objetivando quantificar a redução da extração de calor no menisco e
visando reduzir a profundidade da marca de oscilação nas placas.
Os insertos utilizados nos testes foram com os materiais: níquel, cromo e aço inoxidável. A
figura 3.22 demonstra a influência do inserto de cromo na redução de transferência de calor
no molde.
Houve uma redução de 50 ~ 70% na densidade de extração de calor no molde referente à
região do meniscus. A profundidade da marca de oscilação foi reduzida 30 ~ 50%, como
também o comprimento do hook.
30
Figura 3.22 Influência do inserto de cromo (faces estreitas do molde) na extração de calor no molde com
velocidade de lingotamento = 1,3 m/min [13]
3.4.5. Influência do tipo de aço
Conforme mostra a figura 3.23, existe uma variação da profundidade das marcas de oscilação
com o teor de carbono do aço. Devido à reação peritética, a contração é mais pronunciada na
faixa 0,10 a 0,15% C. Nestas condições, a contração provoca um maior afastamento do aço
sólido da parede do molde e conseqüentemente marca mais profunda quando do dobramento
Profundidade Marca Oscilação (mm)
do menisco [41].
Fluxante
Óleo
Carbono (%)
Figura 3.23 Efeito do teor de carbono na profundidade da marca de oscilação [41]
31
Badri et al.
[40]
concluíram que o aço ultra baixo carbono apresenta maior profundidade de
marca de oscilação (figura 3.24) e maior probabilidade de formação de hook.
Os seguintes comparativos podem ser citados entre os aços ultra baixo e alto carbono:
•
Alta temperatura de solidus (1535 o C vs 1500 o C para o alto carbono)
•
Menor zona pastosa (15 o C vs 50 o C para o alto carbono)
Ultra Baixo
Peritético
Médio
Figura 3.24 Profundidade da marca de oscilação versus percentagem de carbono [40]
3.4.6 Influência de impurezas do aço
Resultados práticos têm mostrado que corridas do mesmo tipo de aço, com comportamento
similar do fluxante e variáveis de oscilação, podem apresentar marcas de oscilação muito
diferentes.
Esta diferença pode ser resultado de variações na resistência a quente do menisco sólido.
Existem fortes evidências que inclusões não metálicas e bolhas sub-superficiais reduzem a
resistência a quente do sólido e exercem uma influência adicional nas marcas de oscilação.
32
Também tem sido notado que o enxofre tem um efeito similar às inclusões. O enxofre não
somente reduz a tensão superficial, mas também a resistência a quente dos aços.
Uma grande concentração de impurezas com S e inclusões não metálicas reduz também a
dutilidade a quente, favorecendo a formação de trincas superficiais na placa [34].
3.4.7 Variação do nível de aço no molde
Variações bruscas do nível de aço no molde provocam distúrbios na região do menisco,
afetando o processo de formação das marcas de oscilação e prejudicando a qualidade
superficial da placa. No caso de subida brusca do menisco, pode ocorrer o transbordamento
do aço sobre o mesmo.
A velocidade de subida do nível acima da qual se deteriora a qualidade de placa é
aproximadamente 0,2mm/s.
No caso da descida brusca do nível, o aço sólido pode entrar em contato com o fluxante em
processo de fusão e provocar incrustação não metálica, não-superficial, na placa [34].
3.4.8 Influência do escoamento de aço no molde
A correta definição dos parâmetros de escoamento do aço líquido no molde, através da
válvula submersa, é importante para a qualidade superficial da placa, porque uma
movimentação excessiva do aço na região do menisco pode provocar distúrbios na formação
das marcas de oscilação.
Por outro lado, a ocorrência de regiões estagnadas favorece o aumento excessivo da extensão
do menisco e, em alguns casos, a solidificação do aço na superfície superior do molde. Este
problema é particularmente importante no lingotamento contínuo de aços inoxidáveis ao Ti,
devido ao acúmulo de inclusões de TiN na região superior do molde, reduzindo a fluidez do
33
aço e provocando a solidificação na superfície superior do aço no molde [34] .
3.4.9 Influência do pó fluxante
Nilsson M. et al.
[44]
demonstrou que as propriedades do pó fluxante, por exemplo,
viscosidade, basicidade (CaO/SiO 2 ) e temperatura de solidificação, podem influenciar no
fluxo de calor na região do menisco.
O aumento da viscosidade da escória do fluxante aumenta a pressão exercida sobre o menisco
durante o tempo de estripamento negativo, e conseqüentemente aumenta a profundidade das
marcas de oscilação.
O pesquisador concluiu também que a maior profundidade da marca de oscilação em aços
baixo carbono acalmados ao Al, em relação aos aços acalmado ao Al-Si, tem sido atribuído ao
aumento do teor de Al2 O3 na escória, durante o lingotamento, que contribui para o aumento da
viscosidade.
Wolf
[44]
contradiz a conclusão de Nilsson M. et al.
[44]
O mesmo cita que o aumento da
viscosidade possibilita a formação de marca de oscilação, com menor profundidade, devido
ao menor consumo de escória liquida de fluxante.
Nilsson M. et al.
[44]
realizou experimentos com fluxantes com diferentes basicidades
aplicados em aços peritéticos com 0,13% de carbono. O pó fluxante que resultou em baixo
fluxo de calor (alta basicidade) apresentou um maior ângulo entre o hook e a superfície,
consequentemente maiores concentrações de micro segregação de fósforo e trincas
transversais na base da marca de oscilação.
Altas velocidades de lingotamento têm sido utilizadas para aumentar a produtividade das
máquinas e reduzir os custos. Todavia, altas velocidades têm maior probabilidade de reduzir a
lubrificação do pó fluxante entre o molde e a pele solidificada, aumentando a freqüência de
agarramento de aço e rompimento da pele na saída do molde.
Mizukami et al.
[22]
propôs uma equação para cálculo de liquid friction na parte superior do
34
molde expressada pela equação (3).
fl =
η × (Vm − Vc)
...........................................................................................................(3)
dl
Onde:
fl
= Fricção líquida
η
= viscosidade de pó fluxante
Vm
= velocidade do molde
Vc
= velocidade de lingotamento
dl
= espessura de fluxante líquido na interface da parede do molde e pele (shell)
Baseado na equação (3), pode-se concluir que a tensão da pele pode ser reduzida através da
escolha do pó fluxante com baixa temperatura de amolecimento e baixa viscosidade.
Sobre o ponto de vista do padrão de oscilação do molde, é desejável que, para minimizar a
tensão da pele (shell), se reduza a velocidade relativa entre o molde e a pele em solidificação
(Vm-Vc) e ajustar o modelo de oscilação para aumentar o consumo de pó fluxante.
Um aumento no consumo de pó fluxante pode ser obtido de duas maneiras: aumentando os
tempos de estripamento positivo ou negativo (figura 3.25), ou aplicando padrão de oscilação
do tipo assimétrico que fornece maior tempo de estripamento positivo e eficiente estripamento
Consumo pó fluxante (g/m ciclo)
Consumo pó fluxante (g/m ciclo)
negativo (figura 3.26).
Tempo Estripamento Negativo (s)
Coeficiente de Correlação: 0.971
Desvio Padrão= 0.123
Tempo Estripamento Positivo (s)
Figura 3.25 Taxa de consumo de pó fluxante (por ciclo) vs tempos de estripamento negativo e positivo
35
[3]
S: Amplitude (mm)
F: Freqüência (ciclos / minuto)
a: Taxa de modificação para não senoidal (%) = (A2/A1) x 100
VC: Velocidade Lingotamento (m/minuto)
Tt: Período Total do Ciclo de Oscilação (segundos/ciclo)= 60/F
Tn: Tempo de Estripamento Negativo (seg)= 60/p Fxarc cos(1000xV C/ p SF), Equação para a=0
TP: Tempo de Estripamento Positivo (seg)= Tt – Tn
Distância entre marca de oscilação (mm)= 1000x V C/ F)
Velocidade Ling. ( VC: 1.45 m/min)
Velocidade (mm/seg)
Deslocamento do molde (mm)
Senoidal ( a = 0%)
Senoidal (a= 0%)
Não Senoidal (a= 24%)
Não Senoidal (a = 24%)
Tn
Distância OM
(teórica)
Tempo (s)
Tempo (s)
Figura 3.26 Parâmetros do oscilador do molde: senoidal e assimétrico [3]
O valor crítico de estripamento negativo para oscilação senoidal pode ser expresso pela
equação (4):
NS = ∫ (Vm − Vc)dt ...............................................................................................................(4)
t2
t1
Onde t1 e t2 são os tempos em que Vm = Vc.
Para satisfazer estas duas condições, o modo de oscilação pode ser não senoidal, onde o
tempo ascendente do molde é maior do que o descendente.
A figura 3.27 compara os resultados calculados do efeito da oscilação não senoidal sobre a
fricção líquida da pele.
Para a taxa de modificação da curva (α = 40%), a fricção líquida é reduzida em 40 %, neste
caso, ocorre um aumento do consumo de pó fluxante.
36
± 4 mm ; 192 cpm
Vc = 2 m/min
Índice de Fricção Líquida
100
80
Tipo Senoidal
60
40
20
0
10
20
30
α
40
(%)
Figura 3.27 Efeito da onda não senoidal no valor de fricção líquida (fl)
Suzuki M. et al.
[50]
[22]
concluíram que a força de fricção no molde é proporcional à velocidade
relativa do molde para velocidade de lingotamento, e que a curva de oscilação não senoidal
pode reduzir drasticamente a força de fricção (figura 3.28).
Figura 3.28 Relação entre velocidade de lingotaento e força máxima de fricção (Ff max) em um ciclo de
oscilação [50]
37
4 METODOLOGIA E PROCEDIMENTOS
Os experimentos referentes às alterações das variáveis físicas do oscilador do molde foram
realizados na máquina de lingotamento contínuo 3 da ArcelorMittal Tubarão. As principais
características desta máquina são apresentadas na Tabela IV.1.
Tabela IV.1: Principais características do lingotamento contínuo 3 da Arcelor
Mittal Tubarão
Item
Especificação
Tipo
Vertical curva
Comprimento metalúrgico (m)
32.972
Nº de veios por máquina
2
Espessura (mm)
200, 225, 250
Largura a frio (mm)
1050 ~ 2325
Raio da máquina (m)
10
Comprimento reto entre menisco e o 1º raio de
2665
dobramento (mm)
Velocidade de Lingotamento (m/min)
2.00 m/min (espessura 200 mm)
1.80 m/min (espessura 225 mm)
1.45 m/min (espessura 250 mm)
Comprimento do molde (mm)
900
Oscilador do molde
Eletro – Hidráulico
Curso de oscilação: 2~8 mm
Freqüência: 25 ~ 400 cpm
Profundidade de válvula submersa (do topo da
150 ~ 200
saída de aço até o menisco ) (mm)
Espessura da placa do molde (mm)
Face larga: 41
Face estreita: 39
Espessura do revestimento do molde (mm)
0.3 (topo) ? 2 (base), CoNi
Material base: Cu-Cr-Zr
Água de molde máxima por veio (l/min)
Face larga: 10.000 (2 faces)
Face estreita: 1300 (2 faces)
o
Temperatura da placa de cobre do molde ( C)
< 300
Delta T (Variação da temperatura) da Água do
< 10
38
molde ( o C)
Resfriamento secundário
Somente água: foot roll até
segmento zero superior
Air mist: segmento zero
intermediário até segmento 14
Controle do nível de aço no molde
Corrente parasita (NKK)
Adição de fluxante no molde
Automático
O oscilador do molde, onde foi realizado o experimento, é do tipo eletro-hidráulico. Por ser
hidráulico permite o ajuste automático da amplitude de oscilação, como também assimetria de
curva, visando redução do tempo de estripamento ne gativo e a efetiva lubrificação do sistema
molde-placa.
O mecanismo de funcionamento deste equipamento, mostrado na figura 4.29, é demonstrado a
seguir:
1) O atuador eletro-hidráulico aciona a haste conectada à viga de oscilação para oscilar o
molde que está montado na mesa de suporte;
2) Uma bobina, que é uma peça da unidade hidráulica, está instalada no interior do atuador
eletro- hidráulico;
3) O servo- motor atua a bobina, a qual está conectada ao parafuso esférico para as direções
superior e inferior;
4) A posição relativa entre a haste e a bobina é mantida em um valor constante, através de
uma malha fechada de retro-alimentação, composta de circuito hidráulico e de controle.
Como conseqüência, a haste pode ser atuada utilizando-se grande quantidade de força
gerada de fonte hidráulica;
5) Para realizar o controle mencionado acima, utiliza-se a tecnologia de retro- alimentação
com os seguintes parâmetros: posição do molde, posição da haste e posição da bobina.
39
A haste do atuador é movida por uma retro-alimentação hidráulica, de acordo com a posição
da bobina.
Quando a bobina pára, a haste é paralisada na posição que fecha a porta-P e porta-T, figura
4.30(a). Quando a bobina se move para a posição superior, a rota de desvio da porta-P até o
lado de início é aberta. Então a haste é empurrada para cima, figura 4.30(b).
Quando a bobina se move para abaixar, a rota de desvio do lado do início cabeça para a portaT é aberta. Então a haste é puxada para baixo, figura 4.30(c).
Posição Molde
Molde
Sensor de
Aceleração
Posição Haste
do Cilindro
Atuador EletroHidráulico
Servo Motor
SM
PLG
fornecimento de
pressão hidráulica
Tanque
Figura 4.29 Módulo de oscilação do molde - lingotamento contínuo 3 (ArcelorMittal Tubarão)
40
Haste
Bobina
Porta P
Porta T
SM
Servo
Motor
SM
(a)
Servo
motor
SM
(b)
Servo
Motor
(c)
Figura 4.30 Movimento hidráulico da haste do atuador do molde - lingotamento contínuo 3 (Arcelor
Mittal Tubarão)
De acordo com vários autores
[5][14][22][23][39][47]
, quanto menor o tempo de estripamento
negativo do oscilador, menor é a profundidade da marca de oscilação, conseqüentemente
menor é a ocorrência de micro segregação e trincas transversais na base da marca de
oscilação.
Todavia, maior freqüência e menor amplitude do oscilador que resulta em baixo TN,
acarretam maior ocorrência de rompimento de pele, devido à irregularidade do filme líquido
de fluxante na interface placa e molde.
Em função do exposto, para os experimentos será considerado modelo de oscilação que
possibilite lingotar com menores valores de TN e coeficiente de fricção.
O modelo proposto de oscilação é gerado de acordo com a seguinte “série de Fourier” fref(t),
conforme equação (5).
n
fref(t) = S ak · sin (k· ? · t) ........................................................................................(5)
k=1
41
Onde:
ak : coeficiente do curso do período de oscilação
Para cálculo do deslocamento da onda foi considerado taxa de modificação, para não senoidal
(a), de 40%.
Desenvolvendo a série de Fourier podemos calcular o deslocamento da onda, y, (equação 6)
y
=
(S0/2)· [a1 · sin(2pf)· t
+
a2 · sin(2· 2pf)· t
+
a3 · sin(3· 2pf)· t
+
a4 · sin(4· 2pf)· t + a5 · sin(5· 2pf)· t + a6 · sin(6· 2pf)· t
+ a7 · sin(7· 2pf)· t] …………………………………………………………………….(6)
Os valores de a k são definidos na tabela IV.2.
Tabela IV.2 : Valores de ak para taxa de não senoidal (a) de 40%
Coeficiente
a1
0,888
a2
-0,284
a3
0,088
a4
-0,021
a5
0,003
a6
0
a7
0
De maneira a avaliar a influência das variáveis físicas do oscilador do molde, nas marcas de
oscilação, e consequentemente na qualidade do produto, foram realizados experimentos em
bloco nos aços médio carbono micro ligado, variando o tempo de estripamento negativo.
A composição química dos aços e os valores das variáveis físicas do oscilador são
apresentados na tabela IV.3.
42
Tabela IV.3: Critérios para realização de experimento no aço M/C ligado
Experimento
Número da corrida:
301487-5 (22-8-2007)
Aço:
Médio carbono – micro ligado)
Dimensões da placa (mm)
1225 x 225 mm
51
53
55
57
02
30487-51
30487-53
30487-55
30487-57
30487-02
Freqüência: (cpm)
120
132,0
146,7
110
100,8
Curso de oscilação do molde (mm)
5,5
5,0
4,5
6,0
5,5
Taxa de estripamento negativo (%)
10
10
10
10
10
Tempo de estripamento negativo (s)
0,107
0,100
0,090
0,120
0,131
Tempo de estripamento positivo (s)
0,393
0,355
0,323
0,425
0,464
Não senoidal (%) (a)= A2/A1 x 100
40
40
40
40
40
1,2
1,2
1,2
1,2
1,0
Número da Placa
Amostra
Velocidade de lingotamento
(m/min))
Temperatura de “liquidus” (o C)
1515
Composição Química Visada (%)
Elemento
Percentual
Elemento
Percentual
C
0,1651
V
0,0020
Si
0,2790
Nb
0,0290
Mn
1,3500
Sn
0.0020
P
0,0180
Ca
0,0031
S
0,0043
Ti
0,0020
Al
0,0330
B
0,0005
Cu
0,0080
N
0,0035
Ni
0,0040
Pb
-
Cr
0,0180
Sb
0,0010
As variáveis de entradas e respostas definidas neste experimento são conforme a seguir:
43
4.1 VARIÁVEIS DE ENTRADA
•
•
•
•
•
•
•
Composição química do aço;
Número da placa;
Número do veio;
Velocidade de lingotamento;
Amplitude e freqüência de oscilação;
Tempo de estripamento negativo;
Assimetria de curva de oscilação
Para evitar ruídos nos testes foram realizados os experimentos em uma corrida, mantendo os
padrões de pó fluxante, super aquecimento do aço e revestimento superficial da placa de
cobre.
4.2 VARIÁVEIS RESPOSTAS
4.2.1 Espaçamento entre marcas de oscilação
As medidas de espaçamento entre marcas de oscilação foram realizadas com base nos
recursos do software Quantikov
[35]
. Para validação deste método de medição foi retirada, na
máquina de lingo tamento número 2 da CST ArcelorMittal, uma amostra de uma placa
referente ao meio da corrida.
Foi feito um corte transversal no sentido do comprimento da placa de 300 mm de largura.
Desta separação, foi retirada uma amostra da lateral direita e uma amostra da lateral esquerda
com 30 mm de espessura para a realização das análises (figura 4.31).
As dimensões da placa, bem como, a composição química do aço correspondente estão
apresentadas na tabela IV.4.
44
30 mm
Sentido lingotamento
Figura 4.31 (a) Corte transversal da placa; (b) Cortes laterais da placa e (c) Fotografia de uma das laterais
cortadas da placa (Fonte: Lesta)
Tabela IV.4: Dados da placa de Lingotamento Contínuo
Dados da Placa
Número da corrida:
1488014
Aço:
Baixo carbono não ligado
Número da placa:
4
Freqüência:
186 cpm
Velocidade de lingotamento:
1,6 m/min
Curso de oscilação do molde:
6 mm
Tempo de estri pamento negativo: 0,112 s (onda senoidal)
Composição Química obtida (%)
Elemento
Percentual
Elemento
Percentual
C
0,0553
V
-
Si
0,0080
Nb
0,0001
Mn
0,3590
Sn
0,0010
P
0,0140
As
0,0012
S
0,0066
Ti
0,0010
Al
0,0250
B
-
Cu
0,0160
Ae
0,0220
Ni
0,0050
Co
0,0020
Cr
0,0130
Pb
-
Mo
0,0010
Sb
0,0010
45
No Laboratório de Engenharia de Superfícies e Técnicas Afins – LESTA– EM/UFOP, as
amostras foram devidamente submetidas ao descarepamento e em seguida foram fotografadas
por uma máquina digital Sony, com resolução de 4.1 mega pixels.
Antes das análises, porém, é necessário que as fotografias das amostras passem por um
tratamento de imagem. Tal tratamento pode ser realizado pelo próprio Quantikov e/ou em
conjunto com qualquer outro software de edição de imagens.
As medições foram realizadas em intervalos de 10 mm. Para garantir a representatividade e
repetibilidade do procedimento das medições, foi adicionada à imagem grelha a fotografia
com colunas igualmente espaçadas em 10 milímetros. A figura 4.32 apresenta
esquematicamente este método:
Figura 4.32 Interface do software Quantikov, apresentando a função aritmética de soma entre duas
imagens. Neste caso, está sendo adicionada à imagem grelha a fotografia da superfície da placa de
lingotamento contínuo (Fonte: Lesta)
46
A análise feita pelo software Quantikov mostrou ser muito eficiente, uma vez que em cada
amostragem foram retiradas aproximadamente quinhentas medidas em placas com dimensões
de 222 x 300 mm. As medições são apresentadas em tabelas nos anexos A e B. A análise
estatística das distâncias medidas entre as marcas de oscilação está resumida na tabela IV.5, a
partir da qual foram construídos os gráficos de distribuição das distâncias entre as marcas de
oscilação (figura 4.33).
Tabela IV.5: Classes de distâncias entre as marcas de oscilação
Nº
Classes
Distância
(mm)
Freq.
Nº
Distância
(mm)
Freq.
1
27.94
1
1
246.107
4
2
261.112
2
2
230.034
3
3
251.968
2
3
221.998
4
4
242.824
1
4
213.962
6
5
23.368
3
5
205.926
2
6
224.536
9
6
197.890
3
7
215.392
8
7
189.854
7
8
206.248
11
8
181.817
11
9
197.104
8
9
173.781
11
10
18.796
5
10
165.745
10
11
178.816
17
11
157.709
17
12
169.672
11
12
149.673
8
13
160.528
14
13
141.637
14
14
151.384
17
14
133.601
18
15
14.224
12
15
125.565
12
16
133.096
20
16
117.528
34
17
123.952
31
17
109.492
16
18
114.808
28
18
101.456
49
19
105.664
49
19
93.420
47
20
9.652
21
20
85.384
23
21
87.376
52
21
77.348
50
21
78.232
39
21
69.312
20
23
69.088
42
23
61.275
28
24
59.944
31
24
53.239
27
25
5.08
12
25
45.203
6
26
41.656
23
26
37.167
8
27
32.512
14
27
29.131
5
28
23.368
1
28
21.095
2
29
14.224
4
29
13.059
1
30
0.508
0
30
5.023
0
47
Amostra
Amostra
I
II
Figura 4.33 Distribuição das distâncias entre as marcas de oscilação no lingotamento contínuo de placas nº
2 da ArcelorMittal Tubarão para um aço com freqüência de oscilação de 186 cpm e velocidade de
lingotamento= 1,6 m/min – amostras i e ii (Fonte: Lesta)
Realizando a análise estatística dos dados referentes aos gráficos da figura 4.33, obtemos os
seguintes resultados da média e desvio padrão dos espaçamentos das marcas de oscilação:
48
Amostra 1
Média = 10,49 mm
l( téórico) =
V
≈ 10mm
f
Amostra 2
Média= 10,25 mm
l( téórico) =
V
≈ 10mm
f
Desvio Padrão = 5,15 mm
Desvio Padrão = 4,56 mm
Número de medições = 487
Número de medições = 445
Analisando os dados acima, podemos observar que as médias e os desvios padrões estão bem
próximos para as duas amostras analisadas referente à mesma placa lingotada.
Quanto ao elevado desvio padrão pode ser explicado pelo fato que o cálculo teórico não leva
em consideração a flutuação do menisco do aço do molde, que no processo ocorre.
O método proposto se revelou como sendo um método prático, de fácil execução e
apresentando bons resultados e fácil interpretação.
4.2.2 Profundidade das marcas de oscilação
Atualmente existem diversos métodos de medida de rugosidade disponíveis para os
pesquisadores interessados em Engenharia de Superfícies.
No entanto, todos eles foram desenvolvidos e adaptados para a avaliação da qualidade
superficial de peças ou objetos de pequeno porte tais como os componentes de máquinas,
ferramentas, de peças da indústria automobilística e, particularmente de produtos acabados e
semi-acabados da optoeletrônica, com destaque para lentes, espelhos e substratos para a
fabricação de circuitos impressos, células fotovoltaicas, etc.
Obviamente, estes métodos e os respectivos equipamentos a eles associados não são
adequados à problemática industrial da caracterização de rugosidade de superfícies tais como
as dos produtos siderúrgicos destacados.
49
A escala do problema é infinitamente maior e o ambiente de trabalho não se assemelha, em
nada, aos recintos protegidos dos laboratórios de controle de qualidade dos produtos
mencionados.
Além disso, algumas técnicas de rugosimetria apresentam problemas intrínsecos de difícil
solução na escala industrial de nosso interesse: referimo-nos aos rugosímetros mecânicos
tradicionais, cujo princípio de funcionamento apóia-se no deslizamento de uma ponta
metálica fina sobre a superfície a analisar.
Depreende-se deste princípio de funcionamento que protuberâncias e vales mais
pronunciados, das marcas de oscilação, podem dificultar o deslizamento da ponta de contato
(sensor), eventualmente travando-a e/ou provocando “saltos” que acarretam graves erros de
medida interferindo nas interpretações.
Em função do exposto, está em processo de desenvolvimento no LESTA – Laboratório de
Engenharia de Superfícies e Técnicas Afins, da Escola de Minas da UFOP um protótipo para
medir os vales das marcas de oscilação. As figuras 4.34, 4.35 e 4.36 apresentam os principais
componentes deste protótipo.
2
1
4
3
Figura 4.34 Vista geral do protótipo de rugosímetro óptico. Estrutura de sustentação, detector de luz
refletida (1), Laser (2) Placa de madeira com estrias para calibração (3) e controlador da velocidade de
deslocamento da mesa (4)
50
Figura 4.35 Detalhe do detector de luz refletida (1)
(a)
(b)
Figura 4.36 (a) Conversor analógico/digital do sinal luminoso oriundo do detector de luz refletida
(fotomultiplicador); (b) Protótipo com amostra de placa de aço na posição de medição da profundidade da
marca de oscilação
O princípio de funcionamento deste equipamento é descrito a seguir:
A projeção de um feixe laser, na superfície da placa, deslizando sobre a mesa de roletes gera
um feixe refletido cuja intensidade luminosa será afetada pela rugosidade da superfície (figura
4.37).
51
PC
Pirômetro Óptico
Câmera CCD
Laser
Fotomultiplicador
Rugosidade
Espalhamento
Translação
Figura 4.37 Representação esquemática do método proposto para varredura óptica da superfície de
amostras de placas de lingotamento contínuo
As marcas de oscilação serão responsáveis pela “extinção” total ou parcial da luz incidente
dependendo da profundidade e largura das mesmas.
Esta “extinção” resultará das múltiplas reflexões do feixe coerente de luz laser no interior dos
“vales”. O feixe refletido será captado e enviado a uma célula fotossensível ao comprimento
da onda do laser escolhido.
O sinal elétrico resultante da interação da luz com a fotocélula será amplificado e enviado
para processamento e visualização em uma tela de microcomputador após conversão
analógico/digital.
O registro mostrado na tela do microcomputador foi apresentado de modo contínuo e em
tempo real: as oscilações visualizadas na tela corresponderão às oscilações que, naquele
momento, interagem com o feixe laser. Picos e vales observados estão em correspondência
com a topografia que foi “varrida”.
Complementarmente, a mesma superfície varrida pelo feixe laser foi mapeada por um
52
pirômetro óptico de modo a registrarmos, simultaneamente, a emissividade daquela região
para correções de “ruído” na reflectância.
Ensaios
preliminares
foram
realizados
em
10/08/2007.
Os
sinais
advindos
do
fotomultiplicador, após conversão analógico/digital foram tratados pelo software FieldChart
permitindo exibir de forma gráfica a evolução das intensidades de luz laser visível (vermelho)
na medida em que esta é refletida na superfície da placa (amostra) enquanto esta se desloca à
velocidade de 0.125cm/s (figura 4.38).
De acordo com o projeto do protótipo, a variação dos dados que foram coletados nestas
condições experimentais traduz a mudança de relevo da superfície analisada, podendo ser
diretamente associada à presença das marcas de oscilação resultantes do processo de
solidificação em máquina de lingotamento contínuo.
O aspecto serrilhado do gráfico é o reflexo da diminuição da intensidade refletida quando a
luz incide em uma marca. O maior ou menor grau de extinção da luz incidente é revelado pela
variação absoluta da intensidade da luz.
Fundamentalmente, estamos procurando vincular as variações da reflectância de um
superfície à topografia da mesma (figura 4.39).
Outro aspecto a ser assinalado, para a interpretação dos gráficos gerados pelo software
FieldChart, é o fato de estar registrada a reflexão da luz durante um percurso de ida e volta
sobre a mesma “pista” iluminada.
53
Sentido de deslocamento da placa
I
N
T
E
N
S
I
D
A
D
E
Figura 4.38 Diagrama típico: modulação serrilhada da reflectância segundo uma pista perpendicular às
marcas de oscilação em uma placa real. Os picos laterais extremos correspondem à reflexão fora da placa
Ranhuras menos afastadas
Ranhuras mais afastadas
I
N
T
E
N
S
I
D
A
D
E
Figura 4.39 Diagrama registrando modulação da reflectância na placa de referência (placa de madeira
ranhurada). Notar a variação de largura dos picos em função da distância entre marcas
De acordo com a técnica idealizada e em desenvolvimento no LESTA – Laboratório de
54
Engenharia de Superfícies e Técnicas Afins, da Escola de Minas da UFOP - a avaliação da
profundidade das marcas está associada à diminuição da intensidade de luz refletida.
Assim, a cada diminuição do va lor de luz refletida deverá estar associada a uma marca e a
maior ou menor diminuição denota profundidade maior ou menor, respectivamente. Esta
informação qualitativa, se calibrada, poderá nos informar o valor da profundidade da marca de
oscilação.
O estágio atual do projeto do protótipo de um rugosímetro óptico aponta para alguns
aperfeiçoamentos que são listados a seguir:
•
Substituição da fonte laser atual por outra (ou outras) mais potentes. Eventualmente
optar por várias fontes de diferentes cores. O laser atual é vermelho, seria interessante
testar as cores verde e amarela.
•
Substituição do atual fotomultiplicador (fotocélula) por outro com “tempo de
resposta” mais rápido.
Esta tecnologia demanda mais tempo para chegar aos valores reais das profundidades das
marcas de oscilação, e até mesmo medição da distância entre marcas.
Neste trabalho será considerada a análise do tempo de estripamento negativo e a profundidade
da marca de oscilação.
O desenvolvimento desta tecnologia se dará posteriormente, como parte de uma tese de
Doutourado, devido às seguintes vantagens:
•
Possibilidade de instalação no veio da máquina de lingotamento contínuo permitindo
controle on-line e em tempo real. O local a ser instalado depende da influência da
nevoa, do resfriamento secundário, nos resultados coletados.
•
Inexistência de contato mecânico com a superfície analisada: análise à distância;
•
Baixo custo para o desenvolvimento do protótipo;
•
Inexistência de sistema similar no mercado das tecnologias de controle e automação;
•
Possibilidade de obtenção de registro de patente.
55
4.2.3 Análise micro estrutural da marca de oscilação
Foram preparadas amostras especiais, referente ao aço correspondente a tabela IV.4, e através
da aplicação de reagentes específicos, microscopia óptica foram ana lisados os seguintes
fatores:
•
Presença de trincas transversais no vale da marca de oscilação e na região do gancho;
•
Presença de microsegregação, precipitados, inclusões não metálicas, bolhas de argônio
no vale da marca de oscilação e na região do gancho.
4.2.3.1 Preparação da amostra
Corpos de prova com espessura e comprimento de aproximadamente 40mm e 60mm
respectivamente (figura 4.40), foram devidamente preparados para análise. O critério de corte
da amostra adotado foi visando analisar a região próxima ao vale da marca oscilação
referente, à face estreita da placa, já que a face larga apresenta deformação das marcas de
oscilação pelos rolos motrizes no processo de extração.
Fez-se em primeira análise uma caracterização visual, seguida de preparação desses corpos de
prova envolvendo limpeza, corte desbaste, polimento, ataque químico, análise com auxílio de
microscopia óptica e registros fotográficos.
Este trabalho foi realizado no Laboratório de Engenharia de Superfícies e Técnicas Afins –
LESTA da Escola de Minas de Ouro Preto.
56
mm
40
Sentido Lingotamento
Face Estreita
Face Larga
Figura 4.40 Representação da amostra obtida da face estreita da placa para análise microscópica da
região próxima a marca de oscilação (OM)
4.2.3.2 Definição dos reagentes químicos e método de análise
Conforme Melo
[51]
, apud Balasubramaniam et al.
[56]
desenvolveram uma metodologia para
detectar a distribuição de fósforo em ferro, onde tal detecção era realizada utilizando reativos
cujo princípio era separar as regiões contendo fósforo pelo método das cores.
Em primeira análise, foram realizados por esses autores vários experimentos utilizando os
mais variados tipos de reativos e em um deles, utilizaram o reativo Klemm e, através de
microscopia eletrônica, obtiveram resultados satisfatórios como ilustrado na figura 4.41.
Nesta figura, a composição básica de cada região está representada através de números. A
localização 1 representa a seguinte composição da escória: 0,2 % Mg e 0,5% P. As regiões
marcadas pelos números 2,3,4 apresentam baixíssimo fósforo se comparado com a região 1,
algo em torno de 0,1% P.
57
Figura 4. 41 Microestrutura do ferro atacado com reativo Klemm, revelando inclusões de fósforo [56]
De acordo com Melo [51] estes autores [56] analisaram as mesmas regiões estudadas na figura
4.41 com o propósito de identificar as mesmas inclusões, porém utilizando a Metalografia
baseada nas cores, como mostrado na figura 4.42. Este método consiste basicamente em
colorir as regiões ricas em fósforo de tons amarronzados e regiões pobres em fósforo
coloridas de tons azuis.
Figura 4.42 Microestrutura do ferro atacado com reativo Klemm, revelando regiões contendo baixo teor
de fósforo em tons azulados [56]
58
A partir desta referência foram realizados experimentos em um aço cementado, produzido em
1940, pertencente ao acervo histórico do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de
Materiais da Escola de Minas de Ouro Preto, como mostrado na figura 4.44. O motivo pelo
qual se escolheu esta amostra “antiga” baseia-se no fato de que certamente a mesma teria um
teor relativamente alto de inclusões, justificado pela falta de tecnologia adequada de refino na
época em que foi produzida. As amostras foram atacadas com reativo Klemm e a análise
micrográfica foi realizada através da utilização de um microscópio óptico, marca LEICA, com
analisador de imagens QWIN 0 [51].
Figura 4.43 Fotografia do aço cementado produzido em 1941
A microestrutura do aço cementado está apresentada na figura 4.44. Trata-se de uma
microestrutura curiosa no que diz respeito a sua interpretação, pois foram reveladas regiões
como, por exemplo, contornos de grãos, trincas, etc.
Através de microscopia ótica, fez-se a caracterização microfratográfica de diversas áreas do
aço cementado. A Figura 4.44 apresenta a distribuição de algumas inclusões que
possivelmente seriam de fósforo.
Acredita-se que as regiões coloridas de marrom sejam regiões ricas em fósforo, o que é
condizente com os estudos de Balasubramaniam et al. [56]
59
Figura 4.44 Perfil de microestrutura do aço cementado utilizando reativo Klemm (Fonte: Lesta)
4.2.4 Quantificação de trinca transversal de quina na superfície da
placa
Foi realizado check scarfing na bordas das placas, com experimento, e quantificado a
freqüência de trinca de quina ao longo do comprimento da placa.
60
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
5.1 TEMPO DE ESTRIPAMENTO NEGATIVO
Os experimentos no lingotamento contínuo 3, em aços micro ligados ao nióbio, foram
realizados com tempo de estripamento negativo na faixa de 0,09 a 0,131 segundos.
Esta faixa foi definida em função de discussões técnica com especialistas de Fukuyama Works
(Japan). Para estes valores de TN são observados menores índices de trinca transversal de
quina. O motivo é a relação direta observada entre profundidade da marca de oscilação e TN.
Conforme mostrado na revisão bibliográfica, quanto maior o TN, maiores serão os grãos de
austenita próximo ao vale da marca de oscilação, devido retardo da solidificação.
Nos contornos destes grãos ocorre precipitação de nitretos e carbonitretos, responsáveis pela
formação e/ou propagação de trincas transversais [37] . Para viabilizar o lingotamento nesta
faixa de TN foi utilizado o modelo de oscilação utilizando a série de Fourier com valor de a =
40%. Observa-se na figura 5.45 que, para um valor de a = 40% ocorre redução considerável
do valor de TN quando comparado com valor de a = 0%. Para cálculo das coordenadas (x,y)
foram considerados os mesmos valores de freqüência de oscilação e amplitude do molde.
Estripamento negativo (s) - a= 0%
0,19
0,17
0,15
0,13
y = 0,1537Ln(x) + 0,4935
R2 = 0,995
0,11
0,09
0,09
0,11
0,13
0,15
0,17
0,19
Estripamento negativo (s) - a= 40%
Figura 5.45 Estripamento negativo versus valor de (a)
61
Em todos os experimentos realizados em agosto de 2007, não houve nenhuma ocorrência de
falta de lubrificação na interface molde e placa, ou seja, sem alarme de colamento da pele.
Esta é uma variável importante para o processo, pois é conhecido que valores baixos de TN
têm incidência de interrupção do filme de fluxante durante o lingotamento.
As placas com experimentos foram inspecionadas e visualmente observou-se baixa
profundidade de marca de oscilação sem ocorrências de defeitos superficiais.
Em função destes resultados, foi considerado a partir de setembro 2007, em escala industrial,
o seguinte padrão de oscilação para os aços na faixa de 0,071 a 0,50% de carbono (figura
5.46):
Amplitude= 5 mm
•
a = 40%
•
Taxa de estripamento negativo = 10%
Deslocamento do molde (mm)
•
3
2
a %= (A2/A1) *100
Amplitude= 5 mm
A2
1
0
0
100
A1
200
300
400
300
400
-1
-2
Velocidade (mm/seg)
-3
60
40
20
Tn
0
-20
mseg
0
100
200
-40
Velocidade
Lingotam.
Estripamento Negativo
-60
Subida
Descida
Subida
-80
Não Senoidal (a= 40%)
C= 0,071 ~ 0,50%
ArcelorMittal Tubarão
Senoidal ( a= 0%)
Veloc. Lingotam.= 1,2 m/min
Figura 5.46 Comparativo de tn para valores de (a) 40 e 0% . Faixa de carbono= 0,071~ 0,50% .
62
Processo de check scarfing foi realizado nas quinas das placas e < 10% das placas produzidas
apresentaram ocorrências de trinca de quina para a mesma taxa de resfriamento secundário.
Estes valores obtidos estão dentro da tolerância aceite pelos clientes.
Para os aços médio carbono micro ligado, com largura da placa de 1578 mm, a ocorrência de
trinca de quina foi maior em relação à largura de placa de 1888 mm (figura 5.47). O motivo
desta maior ocorrência de trinca pode estar relacionado ao super resfriamento da borda da
placa, no ponto de dobramento, em função da disposição dos bicos de spray (figura 5.48).
Ressalta-se que para a temperatura superficial da placa, na faixa de 750 a 900 graus, a
dutilidade do aço é reduzida devido à ocorrência de precipitados tais como Nb(C, N) e V(C,
N) ao longo da interface do grão austenítico. Placas com baixa profundidade de marca de
oscilação, e lingotamento nesta faixa de temperatura, nos pontos de dobramento e
desdobramento da placa, poderão ocorrer elevadas incidências de trincas transversais de
quina.
N= 86 placas
a= 40%,
Amplitude= 5 mm
Densidade spray= 0,74 ~ 0,94 lkg
Espessura= 250 mm
7
6
5
Placas com 4
trinca de
quina (%) 3
6,9
N= 274 placas
2
1,8
1
0
1578
1888
Largura placa (mm)
Figura 5.47 Ocorrência de trinca de quina versus largura de placa. Aço médio carbono micro ligado
(C= 0,13 ~ 0,18%; Mn= 0,9 ~1,5%; Nb= 0,015 ~ 0,030%; V= 0,030 ~ 0,048%)
63
Figura 5.48 Disposição dos bicos de spray: segmento zero - ponto de dobramento
(lingotamento contínuo 3)
5.2 ESPAÇAMENTOS ENTRE MARCAS DE OSCILAÇÃO
O espaçamento entre marcas de oscilação, de forma geral, é a distância que o veio movimenta
durante um ciclo de oscilação. Foram realizadas as medições do espaçamento entre marcas de
oscilação referentes às amostras dos experimentos da tabela IV.3.
Para estas medições foram utilizados os recursos do software Quantikov
[35]
. A figura 5.49
mostra os resultados obtidos e calculados. Observam-se pequenos desvios entre os valores
medidos e calculados. Estes desvios podem ser atribuídos ao fato do valor calculado não
considerar ruídos no processo, tais como turbulência na região do menisco e variação do nível
do aço no molde. Ressalta-se que o conhecimento da distância entre marcas de oscilação,
durante o lingotamento, pode prever certas ocorrências de defeitos nas placas, tais como,
trincas de quina e esfoliação por fluxantes.
Esta variável será mais bem estudada em conjunto com a profundidade da marca de oscilação,
através da instalação de equipamento com medição contínua destas variáveis durante o
lingotamento. Este estudo fará parte de tese de Doutorado.
64
Espaçamento medido entre marcas
oscilação (mm)
11,5
11
10,5
10
l=
9,5
9
9,0
V
f
l= Espaçamento entre marcas de oscilação (mm)
f = Freqüência de oscilação do molde (ciclos/s)
V = Velocidade de lingotamento (mm/s
9,5
10,0
10,5
11,0
11,5
Espaçamento calculado entre marcas oscilação (mm)
Lateral direita
Lateral esquerda
Figura 5.49 Espaçamento entre marcas de oscilação: calculado versus medido. Aço médio carbono micro
ligado (ArcelorMittal Tubarão)
5.3 ANÁLISES MICRO ESTRUTURAL DA MARCA DE
OSCILAÇÃO
Para caracterização do aço lingotado pela ArcelorMittal Tubarão (tabela IV.3), utilizou-se a
mesma metodologia considerada na caracterização do aço cementado, porém além de atacar
as amostras com reativo Klemm, as mesmas foram sobre-atacadas com Nital, com o propósito
de correlacionar a observação das inclusões com a micro estrutura.
Ao atacá- las com o reativo Klemm, observou-se que existem áreas onde há uma concentração
notável de inclusões e micro segregação em uma direção preferencial na região adjacente a
marca de oscilação, destacadas pelas “setas” (figura 5.50).
Conforme literatura nesta área, a estrutura é mais grosseira com maior espaçamento
secundário das dendritas em função da menor transferência de calor desta região. As inclusões
não metálicas, nitretos e carbonitretos tendem a migrar para esta região tornado-a frágil.
Esta observação é confirmada por vários pesquisadores
[18] [19[10] [20] [21]
. Na mesma forma, o
65
efeito da solidificação do menisco (gancho), que acompanha a marca de oscilação, pode
arrastar elementos indesejáveis para o aço, proveniente do fluxante, durante o ciclo de
oscilação do molde.
PLANO Z-Y
MARCAS DE
OSCILAÇÃO
400X
FAIXA DE CONCENTRAÇÃO
DOS DEFEITOS (INCLUSÕES,
POROSIDADES) DETECTADOS
POR MICROSCOPIA ÓPTICA
DETALHE DA REGIÃO DAS
MARCAS DE OSCILAÇÃO
Figura 5.50 Regiões de um aço médio carbono (0,165% C) micro ligado ao nióbio atacadas com reativo
Klemm, revelando áreas ricas em inclusões e micro segregação, em uma direção preferencial na região
adjacente a marca de oscilação (fonte: Lesta). Velocidade de lingotamento= 1,2 m/min e Tn= 0,12 segundos
Seguindo a metodologia adotada, a mesma região da figura 5.50 foi devidamente analisada,
porém esta foi sobre-atacada utilizando reativo Nital sobre o reativo Klemm. Foi feito um
risco intencional, nesta amostra, para identificar e região de análise (figura 5.51).
Este método mostrou-se bastante eficiente no que diz respeito à interpretação dos dados.
Note-se que as inclusões localizam-se de maneira mais intensa nas proximidades dos
contornos de grãos e mais precisamente presentes na fase ferrítica (figura 5.52).
Como explanado anteriormente, estas inclusões tornam esta região mais frágil e que no
processo de lingotamento sobre certas condições da temperatura superficial da placa e esforço
de tração, ocorre à propagação de trincas ao longo do filme ferrita formado sobre a interface
do grão austenítico primário.
66
Esta conclusão é confirmada por Tsai H.T et al.
[45]
. Para estes níveis de inclusões e micro
segregação não foram observadas ocorrências de trinca de quina, nas placas dos
experimentos, após o processo de escarfagem.
(a)
250X
Figura 5.51 Regiões de um aço médio carbono (0,165% c) Micro ligado ao nióbio atacadas com reativo
Klemm (a) Risco intencional para facilitar a identificação da região nos próximos registros (fonte: lesta).
Velocidade de lingotamento= 1,2 m/min e Tn = 0,12 segundos
250X
400X
Figura 5.52 Regiões de um aço médio carbono (0,165% c) Micro ligado ao nióbio atacadas com reativo
Klemm e sobre-atacadas com nital, correlacionando a distribuição das inclusões com a micro-estrutura
(fonte: Lesta). Velocidade de lingotamento= 1,2 m/min e Tn= 0,12 segundos
67
6 CONCLUSÕES
A utilização da serie de Fourier, com valor a= 40%, mostrou-se efetiva para redução do
tempo de estripamento negativo. Para outros valores (a) esta redução também é observada.
Tempo de estripamento negativo igual a 0.107 segundos com a= 40% (curva de oscilação
assimétrica) corresponde a tempo de estripamento negativo igual a 0.152 segundos para a=
0% (curva de oscilação simétrica)
Para valores de tempo de estripamento negativo na faixa 0.09 a 0.131 segundos, utilizando
valor de a= 40%, não houve ocorrência de alarme de colamento da pele no molde.
Os índices de trinca de quina foram considerados aceitáveis para os aços médio carbono
micro ligados ao nióbio e vanádio.
O controle da temperatura superficial da placa, nos pontos de dobramento e desdobramento, é
fundamental para evitar a formação de região de baixa dutilidade principalmente junto ao vale
da marca de oscilação. Placas com largura = 1578 mm apresentaram maior índice de trinca de
quina devido a provável super resfriamento das quinas das placas no ponto de dobramento.
O método aplicado para medições das distâncias entre marcas de oscilação, utilizando os
recursos do software Quantikov, se revelou como sendo um método prático, de fácil execução
e interpretação. Este método poderá ser aplicado para medição contínua destas distâncias no
processo de lingotamento.
Os resultados medidos das distâncias entre marcas apresentaram pequenos desvios em relação
aos valores calculados. A explicação está no fato de que o valor calculado não considera as
variáveis: turbulência na região do menisco e variação do nível do aço no molde.
Em relação à determinação da profundidade das marcas concluiu- se que o método proposto,
rugosimetria óptica, mostrou-se eficaz não somente para estimar a profundidade, mas também
para medir os espaçamentos entre elas. O equipamento desenvolvido para tal finalidade
encontra-se em fase de aperfeiçoamento podendo ser considerado um Protótipo de
Rugosímetro Óptico.
68
De acordo com a técnica idealizada e em desenvolvimento no LESTA – Laboratório de
Engenharia de Superfícies e Técnicas Afins, da Escola de Minas da UFOP - a avaliação da
profundidade das marcas está associada à diminuição da intensidade de luz refle tida. Assim, a
cada diminuição deste valor deverá estar associada uma marca e a maior ou menor diminuição
da luz refletida denota profundidade maior ou menor da marca de oscilação, respectivamente.
Esta informação qualitativa, se calibrada, poderá nos informar o valor da profundidade.
A tecnologia Rugosímetro Óptico demanda mais tempo para chegar às repostas adequadas às
profundidades das marcas de oscilação e até mesmo medições da distância entre marcas. O
desenvolvimento desta tecnologia se dará posteriormente como parte de uma tese de
Doutorado, visando implementá- la na máquina de lingotamento contínuo de tal forma a
ajustar os parâmetros do oscilador em função das medições reais de profundidade e distância
das marcas de oscilação.
Os métodos aplicados para caracterização das inclusões e precipitados próximos ao vale da
marca de oscilação foram eficazes. Os registros fotográficos, obtidos neste trabalho
confirmaram os estudos de vários pesquisadores [18] [19[10] [20] [21] que próximo ao vale da marca
de oscilação há uma concentração notável de inclusões e micro segregação. Da mesma forma,
o efeito da solidificação do menisco (gancho), que acompanha a marca de oscilação, pode
arrastar elementos indesejáveis para o aço, proveniente do fluxante, durante o ciclo de
oscilação do molde.
Os resultados desta dissertação foram a base para o desenvolvimento do modelo de oscilação
do lingotamento contínuo 3 da ArcelorMittal Tubarão.
69
7 RECOMENDAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
•
Explorar todas as possibilidades disponíveis no software Quantikov para estudos de
caracterização metalográfica, tais como: determinação de tamanhos de grão,
distribuição de porosidades, frações volumétricas de fases, etc.
•
Caracterizar a natureza das inclusões utilizando microscopia eletrônica de varredura e
EDS.
•
Desenvolvimento de tese de doutorado através de aplicação de modelo matemático
para ajuste automático das variáveis físicas do oscilador do molde em função das
medições reais da profundidade e distância da marca de oscilação. Neste caso será
dado continuidade ao desenvolvimento do Rugosímetro Óptico no LESTA –
Laboratório de Engenharia de Superfícies e Técnicas Afins, devido às seguintes
vantagens:
a) Possibilidade de instalação no veio da máquina de lingotamento contínuo permitindo
controle on-line e em tempo real;
b) Inexistência de contato mecânico com a superfície analisada: análise à distância;
c) Inexistência de sistema similar no mercado das tecnologias de controle e automação
com possibilidade de obtenção de registro de patente.
70
8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1]
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74
9 ANEXOS
ANEXO A - Medições do espaçamento entre as marcas de oscilação da amostra 1
Nº
Dist(mm)
Nº
Dist(mm)
Nº
Dist(mm)
Nº
Dist(mm)
Nº
Dist(mm)
1
6.604
56
15.748
111 4.572
196
15.7562
251
8.1439
2
7.112
57
6.1171
112 5.588
197
10.16
252
10.668
3
4.064
58
5.588
113 7.112
198
10.16
253
12.2026
4
7.112
59
7.112
114 4.0956
199
8.636
254
5.611
5
8.636
60
7.112
115 7.112
200
8.636
255
17.272
6
11.684
61
8.128
116 7.112
201
6.604
256
18.2951
7
12.192
62
6.604
117 8.128
202
5.611
257
4.0956
8
11.176
63
6.604
118 8.6509
203
15.748
258
6.096
9
1.524
64
8.1439
119 11.176
204
17.2795
259
5.611
10 12.7
65
7.62
120 14.224
205
13.716
260
5.08
11 13.208
66
4.064
151 23.3735
206
5.1053
261
8.128
12 12.192
67
6.096
152 8.636
207
7.62
262
7.1301
13 12.192
68
6.604
153 6.604
208
7.62
263
6.604
14 10.16
69
13.2178
154 4.0956
209
8.128
264
5.08
15 11.176
70
11.684
155 25.908
210
8.636
265
5.588
16 7.62
71
11.1875
156 22.86
211
11.176
266
4.6001
17 6.096
72
10.16
157 21.342
212
12.192
267
8.128
18 7.112
73
8.6509
158 20.32
213
13.716
268
4.064
19
8.636
74
3.556
159 13.716
214
11.684
269
5.08
20
9.652
75
4.572
160 21.844
215
12.7102
270
3.09
21
8.636
76
8.128
161 15.748
216
12.7102
271
4.0956
22
9.144
77
6.604
162 16.764
217
11.684
272
22.3578
23
6.604
78
7.112
163 18.288
218
10.16
273
25.4
24
5.08
79
3.048
164
219
6.6235
274
21.336
17.78
75
25
7.62
80
3.556
165
19.3307
220
20.32
275
21.336
26
7.112
81
5.08
166
9.144
221
9.144
276
24.384
27
9.1581
82
2.54
167
5.1053
222
10.668
277
19.8185
28
10.16
83
2.54
168
8.6509
223
10.16
278
19.304
29
9.144
84
3.556
169
6.096
224
9.1581
279
17.78
30
8.636
85
2.54
170
7.62
225
12.2026
280
22.8656
31
7.62
86
8.128
171
7.112
226
12.2343
281
15.2485
32
9.144
87
9.652
172
7.62
227
0.508
282
17.7873
33
10.16
88
8.636
173
7.112
228
3.556
283
19.3107
34
10.16
89
8.128
174
9.6654
229
5.08
284
18.796
35
9.144
90
1.016
175
8.128
230
5.611
285
11.695
36
9.6654
91
7.62
176
8.128
231
6.096
286
10.6801
37
10.668
92
6.1171
177
6.6235
232
5.588
287
10.668
38
10.668
93
9.144
178
9.652
233
5.588
288
2.54
39
11.684
94
9.652
179
10.16
234
2.54
289
6.604
40
5.588
95
8.128
180
19.3107
235
8.636
290
10.16
41
10.16
96
6.096
181
17.7873
236
12.7
291
22.352
42
14.2331
97
3.556
182
20.32
237
4.572
292
5.588
43
14.224
98
5.08
183
21.336
238
10.16
293
20.32
44
17.809
99
4.572
184
17.2795
239
4.064
294
20.32
45
15.7562
100 6.604
185
15.748
240
3.09
295
21.844
46
15.748
101 11.684
186
16.256
241
4.064
296
17.272
47
7.62
102 6.096
187
17.272
242
4.064
297
19.3107
48
6.096
103 7.62
188
18.288
243
8.636
298
10.668
49
6.604
104 6.096
189
18.796
244
8.636
299
9.144
50
7.6369
105 4.6001
190
18.288
245
9.652
300
9.6654
51
7.112
106 5.588
191
17.272
246
8.636
301
9.652
52
6.604
107 5.588
192
17.78
247
9.144
302
20.32
53
4.064
108 5.08
193
17.272
248
9.652
303
15.2485
76
54
3.556
109 2.54
194
17.272
249
10.6801
304
16.7717
55
14.732
110 3.556
195
14.7408
250
7.62
305
13.7254
306
12.192
343
14.732
380
14.732
417
10.1727
454
9.7053
307
10.6801
344
10.6801
381
15.24
418
9.6654
455
10.16
308
9.1581
345
11.684
382
13.7254
419
11.1875
456
11.176
309
12.7
346
13.716
383
13.716
420
10.1727
457
12.192
310
16.764
347
13.7254
384
12.7102
421
16.256
458
10.16
311
16.2639
348
12.192
385
8.636
422
8.6509
459
8.636
312
14.224
349
11.684
386
8.636
423
7.112
460
8.636
313
9.652
350
12.7
387
9.652
424
3.09
461
11.695
314
12.7
351
13.716
388
9.1581
425
6.096
462
11.176
315
11.695
352
16.256
389
10.16
426
6.604
463
14.224
316
27.94
353
16.256
390
6.096
427
3.556
464
14.732
317
17.272
354
10.16
391
3.048
428
2.5903
465
9.144
318
18.288
355
11.684
392
11.176
429
5.1053
466
9.652
319
18.796
356
12.192
393
7.62
430
4.6001
467
10.668
320
17.78
357
13.716
394
6.604
431
4.572
468
13.716
321
9.144
358
8.636
395
6.6817
432
7.1301
469
10.16
322
6.6817
359
6.1171
396
13.208
433
10.1727
470
12.7102
323
8.636
360
7.112
397
14.732
434
12.192
471
12.192
324
8.128
361
10.1727
398
19.812
435
11.684
472
10.1727
325
8.128
362
6.6235
399
16.2639
436
9.144
473
15.748
326
5.588
363
5.08
400
14.2331
437
7.6369
474
14.2331
327
4.572
364
4.064
401
8.636
438
8.128
475
13.2178
328
7.62
365
6.604
402
6.604
439
8.1439
476
11.695
329
8.6509
366
4.572
403
5.611
440
4.0956
477
11.176
330
8.1439
367
8.128
404
8.636
441
4.572
478
8.6509
331
3.09
368
7.1301
405
8.636
442
2.5903
479
12.7
332
5.588
369
8.636
406
9.652
443
5.08
480
14.224
77
333
9.652
370
7.62
407
11.1875
444
6.096
481
6.1171
334
9.144
371
10.16
408
12.7
445
9.1581
482
6.604
335
7.62
372
8.636
409
14.224
446
10.16
483
4.064
336
3.556
373
9.144
410
11.695
447
12.192
484
9.6654
337
15.2485
374
9.652
411
15.2485
448
11.2221
485
6.604
338
9.144
375
7.112
412
0.508
449
9.144
486
8.1439
339
8.6509
376
13.208
413
13.247
450
10.16
487
7.6369
340
9.652
377
13.2178
414
11.695
451
9.652
341
11.176
378
12.192
415
11.176
452
9.652
342
11.176
379
20.32
416
10.1727
453
7.62
78
ANEXO B - Medições do espaçamento entre as marcas de oscilação da amostra 2
Nº
Dist(mm)
Nº
Dist(mm)
Nº
Dist(mm)
Nº
Dist(mm)
Nº
Dist(mm)
1
6.5294
56
7.0316
111
14.5655
166
15.5700
221
7.5339
2
6.5486
57
6.0271
112
16.5821
167
17.5862
222
9.5429
3
5.5248
58
8.0518
113
13.5703
168
18.0813
223
9.5561
4
5.0226
59
11.5519
114
11.5519
169
17.0768
224
9.0406
5
2.5113
60
9.0406
115
11.5519
170
18.5836
225
10.5474
6
4.5203
61
6.5294
116
10.0452
171
16.5745
226
9.5 561
7
7.0316
62
7.0316
117
8.0361
172
17.0768
227
10.5594
8
8.5384
63
7.5339
118
5.5248
173
17.5790
228
8.0518
9
11.5519
64
8.5384
119
18.0813
174
17.0768
229
9.0406
10
10.5474
65
7.0316
120
15.0677
175
15.5700
230
9.5429
11
11.5519
66
8.0361
121
13.5610
176
15.5700
231
5.5248
12
12.5565
67
7.5339
122
23.1039
177
11.5629
232
4.5203
13
12.0542
68
10.5474
123
22.6072
178
7.5339
233
6.0480
14
11.0497
69
8.0518
124
10.5474
179
7.5339
234
6.0271
15
11.0497
70
8.0518
125
9.5429
180
12.0647
235
8.0361
16
9.5429
71
8.5384
126
5.5248
181
9.5429
236
4.5203
17
11.0497
72
3.0135
127
2.5113
182
7.5339
237
6.5294
18
6.5294
73
2.0090
128
21.5971
183
10.0452
238
6.5486
19
6.5294
74
7.0316
129
22.0994
184
13.0587
239
5.5248
20
7.5339
75
10.0577
130
24.6107
185
4.5203
240
4.6306
21
2.5113
76
7.0316
131
24.6107
186
5.5248
241
5.0226
22
8.0518
77
6.5294
132
22.6016
187
7.0316
242
7.0316
23
9.0406
78
5.5476
133
13.5703
188
7.0316
243
4.0181
24
7.0316
79
3.5158
134
11.0497
189
7.0316
244
3.5158
25
7.5506
80
4.5203
135
13.0587
190
10.0452
245
6.5294
26
5.0226
81
6.0480
136
15.0677
191
11.5519
246
15.5700
27
7.5339
82
6.0271
137
15.5700
192
12.0542
247
18.0813
28
9.0406
83
7.5339
138
16.5745
193
11.0497
248
18.0813
29
9.5429
84
5.0226
139
17.0768
194
11.0497
249
21.1008
30
9.0546
85
3.5158
140
18.5836
195
11.0497
250
21.0948
31
7.0316
86
2.0090
141
21.1187
196
11.5519
251
23.1039
32
7.0316
87
4.5481
142
21.0948
197
12.5565
252
19.5881
33
10.5474
88
3.0135
143
7.5339
198
10.0452
253
18.5836
34
9.5429
89
5.5248
144
8.0361
199
14.0632
254
15.5700
35
9.5561
90
2.5113
145
6.5294
200
9.5429
255
16.5821
36
9.5429
91
4.5203
146
8.0361
201
8.0361
256
16.0723
79
37
11.5519
92
4.0181
147
8.5384
202
15.0677
257
18.0813
38
10.5474
93
8.0361
148
7.0316
203
13.0684
258
19.5881
39
13.5610
94
7.0316
149
8.0361
204
16.5745
259
11.5519
40
11.5519
95
9.0406
150
8.0361
205
14.0632
260
9.5429
41
6.0271
96
8.5384
151
8.5384
206
12.0542
261
20.5926
42
6.0271
97
9.5429
152
7.0316
207
13.0684
262
20.0903
43
7.5339
98
7.0316
153
4.0181
208
13.5610
263
19.5881
44
7.5506
99
9.5429
154
5.0226
209
9.5429
264
12.0542
45
6.0480
100
10.5474
155
7.0316
210
6.0271
265
11.0497
46
4.0181
101
21.5971
156
8.5384
211
6.0271
266
11.5519
47
3.5158
102
21.6029
157
6.0271
212
5.0226
267
8.5384
48
14.5655
103
20.5926
158
10.0452
213
4.5203
268
8.5384
49
7.5339
104
22.6016
159
10.0452
214
4.5203
269
10.0452
50
4.0181
105
10.5474
160
10.0452
215
0.5023
270
15.0677
51
4.5203
106
12.0542
161
8.0361
216
7.0316
271
11.5629
52
6.5294
107
15.5700
162
6.0271
217
12.0542
272
8.5531
53
7.0316
108
18.5836
163
14.5655
218
14.5655
273
10.5474
54
7.5339
109
18.5836
164
16.0723
219
14.0722
274
16.0723
55
6.5294
110
20.0903
165
15.0677
220
6.5294
275
16.0723
276
9.5429
310
9.5561
344
10.0577
378
8.0361
412
8.5384
277
10.0452
311
10.0577
345
9.0406
379
4.0181
413
11.0952
278
10.5951
312
10.0577
346
12.5665
380
5.0226
414
12.0542
279
10.5474
313
10.0452
347
10.5594
381
5.5248
415
16.5745
280
6.5294
314
7.5339
348
12.5665
382
6.0271
416
5.0226
281
8.0361
315
7.0316
349
13.0684
383
2.5113
417
14.0991
282
8.0361
316
13.0684
350
14.5655
384
5.0226
418
5.0226
283
8.5384
317
13.5610
351
14.5655
385
10.0452
419
13.5703
284
8.5531
318
9.0406
352
16.0723
386
7.5339
420
11.5629
285
9.0406
319
9.0546
353
8.5384
387
4.5203
421
10.0452
286
4.5203
320
14.0632
354
11.0497
388
9.5429
422
9.5429
287
4.5203
321
8.5384
355
8.0361
389
7.5506
423
5.5476
288
9.0546
322
12.5665
356
8.5531
390
9.5956
424
15.0761
289
5.0226
323
7.1912
357
9.5561
391
9.5956
425
18.1440
290
17.5790
324
8.5531
358
6.5294
392
8.5973
426
6.5486
291
17.5790
325
8.0361
359
11.5519
393
3.5158
427
4.5203
292
8.0361
326
7.5506
360
15.0677
394
12.0647
428
9.5561
327
16.0723
361
18.5836
395
12.0647
429
6.5486
328
14.5655
362
16.0801
396
9.0406
430
6.5294
93
294
9.0406
9.0406
80
295
9.5429
329
11.5519
363
12.0542
397
10.0452
431
6.5294
296
9.0406
330
12.5565
364
8.5384
398
13.5610
432
8.0361
297
11.0497
331
14.0632
365
7.0495
399
10.0452
433
3.5158
298
11.5519
332
10.0452
366
5.5476
400
9.0546
434
7.0495
299
17.0768
333
9.0406
367
7.5339
401
8.5384
435
8.5531
300
16.0801
334
7.5339
368
11.0611
402
7.0495
436
9.7521
301
11.0611
335
6.0271
369
11.0497
403
14.5655
437
8.5384
302
8.5531
336
5.5248
370
15.5700
404
12.5565
438
12.0647
303
12.5565
337
11.0497
371
13.0587
405
12.5665
439
9.0546
304
15.5700
338
6.0271
372
10.0452
406
10.5474
440
7.6005
305
16.0723
339
7.5506
373
10.5594
407
9.0406
441
8.5973
306
12.5565
340
7.0316
374
9.5429
408
12.5565
442
9.0546
307
16.0723
341
8.5531
375
11.0611
409
15.5700
443
7.0495
308
17.5790
342
8.5384
376
11.5629
410
10.5474
444
4.5203
309
18.5903
343
8.0361
377
9.5561
411
10.0577
445
5.5248
81