TÓPICOS EM LINGOTAMENTO CONTÍNUO

Carlos Antonio da Silva

Itavahn Alves da Silva

ESCOLA DE MINAS

2008

CAPÍTULO I

ASPECTOS GERAIS SOBRE OS PROCESSOS DE LINGOTAMENTO DO AÇO LÍQUIDO

Neste capítulo são abordados alguns aspectos fenomenológicos típicos do processo de lingotamento contínuo do aço líquido. O intuito é de estabelecer uma introdução aos capítulos que se seguem, os quais tratam de: fenômenos de trocas térmicas (capítulo II); fragilidade (capítulo III); características de oscilação do molde (capítulo IV); estrutura de solidificação (capítulo V); pó fluxante de molde (capítulo VI); fluxo no molde (capítulo VII); distribuidor e molde (capítulo VIII). São ainda rememorados alguns aspectos sobre o processo de lingotamento convencional de modo a permitir uma comparação entre os dois processos.

Introdução:

A crescente demanda de aços de qualidade cada vez mais restrita tem exigido mudanças tecnológicas em toda a rota de produção siderúrgica – produção de gusa, refino primário e secundário do aço líquido, além da eficiência dos processos de lingotamento e de conformação do produto final de modo a competir com êxito nos mercados doméstico e internacional.

Nas últimas décadas, é inconteste a participação, cada vez maior, do processo de lingotamento contínuo na produção mundial de aços, embora ainda continue a contribuição do processo de lingotamento convencional, particularmente, na produção de aços especiais, devido a algumas limitações do processo de lingotamento contínuo. O sucesso do método de lingotamento contínuo está atrelado ao desenvolvimento tecnológico e sucesso dos processos de refino primário e secundário do aço líquido. O lingotamento contínuo do aço é recomendável para o lingotamento de longas seqüências de aços de uma mesma categoria com vistas na produção ininterrupta de peças longas, a custos baixos e alta eficiência de produção. A figura 1, como exemplo, mostra a evolução mundial de produção de aços e a participação crescente do processo de lingotamento contínuo, entre os anos de 1970 a 2010.

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Figura 1 – Evolução da produção mundial de aços e contribuição do processo de lingotamento contínuo (Burgunder, 2000).

Aspectos do processo de lingotamento convencional

O método de lingotamento convencional do aço pode ser direto ou indireto. A figura 2 ilustra o caso do lingotamento convencional de aço, na forma de lingotes (basicamente um tronco de pirâmide de seção reta quadrada, com massas variáveis de acordo com o tamanho da operação), através do sistema de alimentação indireta. Neste o aço da panela (1) é vertido através de um canal refratário inserido no mastro central (2), de onde se distribui por meio de canais de alimentação (6) até as várias lingoteiras (4). Cada lingoteira é um molde de ferro fundido, com massa suficiente para resistir à pressão ferrostática durante enchimento e coquilhar (solidificar) parte do aço, para formar uma pele. Inicialmente, devido à relativamente baixa temperatura da lingoteira e ao bom contato entre a pele solidificada e a mesma, as taxas de extração de calor podem ser altas. Depois que a pele adquire espessura e resistência mecânica suficiente para, devido à contração, se afastar da coquilha, forma-se um “gap” entre lingote e lingoteira, o que reduz as taxas de extração de calor.

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Figura 2: sistema convencional de lingotamento

No lingotamento convencional com lingotamento direto a panela é posicionada sobre cada lingoteira, figura 3, que é então preenchida separadamente. No caso deste método de lingotamento, o jato livre de aço entrante na panela faculta reações de oxidação do banho metálico, elevando o nível de inclusões e as perdas térmicas.

Existe a tendência natural de que as porções superiores do lingote, denominadas “cabeça do lingote” sejam as últimas a se solidificar e que “rechupes” (vazios devido à contração de solidificação) estejam concentrados nesta região, figura 5. A ocorrência de rechupes requer o superdimensionamento do lingote, o que certamente poderá implicar em maiores perdas metálicas do processo. De modo a minimizar este problema podem ser empregadas placas isolantes ou exotérmicas ou ainda pós exotérmicos, de modo a garantir o abastecimento de metal líquido para as regiões aonde o rechupe iria se formar. Nos processos de lingotamento convencional indireto, a prática de pressurização – rápido acúmulo de metal líquido no mastro, figura 4, área transversal do canal de descida maior do que a área do canal de distribuição – e a prática de despressurização – jato em queda livre até a base do mastro – exibem comportamentos diferentes, especialmente no que tange a quantidade de inclusões, resultantes das fontes anteriormente citadas. No caso do enchimento pressurizado, a quantidade de inclusões da peça lingotada é inferior a do enchimento sob condições de não-pressurização.

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Figura 3 - Lingotamento com vazamento direto de aço líquido dentro da lingoteira

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Figura 4 – Diferença de comportamento do escoamento do aço nos canais de alimentação entre o sistema pressurizado (a) e despressurizado (b)

Figura 5 - Ocorrência de rechupe no topo do lingote.

Os lingotes têm tamanhos e morfologias diferentes. Conforme a maior seção reta da lingoteira esteja na posição superior à mesma se denomina “big end up”, em contraponto a “big end down, figura 6..

Figura 6 – Enchimento pelo topo e pelo fundo no molde de lingotamento convencional.

No caso do lingotamento convencional, as fontes de contaminação que comprometem a qualidade do produto final, tais como arraste de escória; desgaste do refratário, quebra de crosta, aspiração de ar responsável pela reoxidação do banho são mostradas na figura 7. Nota-se que o descontrole destas fontes de contaminação –

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oxidação aço líquido na zona do jato de vazamento e no interior da lingoteira - pode prejudicar substancialmente toda a limpidez herdada dos tratamentos de refino primário e secundário. Observa-se que o método de vazamento do aço da panela para a lingoteira – direto ou indireto - exerce repercussões substantivas sobre a limpidez do aço lingotado, particularmente, no que concerne a inclusões não-metálicas.

Figura 7 – Esquema do processo de lingotamento indireto, relacionando as principais causas de contaminação do aço líquido durante a transferência: 1) arraste de escória; 2) quebra de crosta; 3) desgaste do refratário; 4) fluxante ineficiente; 5) reoxidação do jato; 6) reoxidação por aspiração; 7) reoxidação por splash; 8) escoamento irregular.

A velocidade de avanço da frente de solidificação de um lingote depende especialmente da taxa de extração de calor, dimensões e morfologia do lingote, grau de superaquecimento do aço líquido; entre outros. Durante o processo de solidificação ocorre a partição de componentes do aço entre a porção líquida e sólida, causando macro e micro-segregações que podem comprometer as propriedades físicas, químicas e mecânicas do lingote final. Durante a solidificação, a macro-estrutura e resistência efetiva ao transporte de calor modificam-se continuamente, em virtude dos fenômenos de segregação de solutos e do aumento da espessura de sólido e do afastamento lingoteira-lingote em função da contração deste último. A figura 8, à guisa de ilustração, mostra a posição temporal da frente de solidificação para um lingote de 813 x 813 mm2..

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Figura 8 - Posição do front de solidificação em função do tempo decorrido após vazamento, para o caso de um lingote 813 x 813 mm2.

Estruturas típicas de um lingote são apresentadas na Figura 9. A linha tracejada indica o nível original de aço na lingoteira. O esquema 1 corresponde a um aço completamente acalmado enquanto o 2 a um aço completamente efervescente. Aços efervescentes são caracterizados pela significativa evolução de gás: esta pode ser devida em razão da menor solubilidade em função da redução de temperatura ou devida à solidificação; adicionalmente a redução de temperatura pode tornar mais favorável, do ponto de vista termodinâmico, reações de formação de gases, como

C + O = CO.O grau de efervescência é principalmente controlado pela reação

C + O = COde evolução de monóxido de carbono; portanto pelo grau de desoxidação do mesmo.

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Figura 9 - Aspecto macroscópico de lingote acalmado e efervescente.

O lingote de aço acalmado (1) apresenta superfície superior côncava com um rechupe razoável logo abaixo. O lingote (2) é do tipo efervescente, com plena evolução de gás. As bolhas formadas são suficientes para compensar (do ponto de vista macroscópico, a cavidade de solidificação). Estas estruturas podem ainda ser modificadas pelo emprego de mecanismos de controle de trocas térmicas, como pós exotérmicos, placas isolantes, e de supressão de evolução de gases, como placas de topo.

O grau de segregação no lingote não depende somente da composição do aço, contudo da taxa de extração de calor. Por isso, como sugerem as figura 10a e 10b existe um grande grau de heterogeneidade nos lingotes produzidos convencionalmente, tanto longitudinalmente quanto ao longo da seção reta. Como se verá em capítulo específico a segregação não é exclusiva do lingotamento convencional; de fato é um dos fatores determinantes da qualidade de aços lingotados continuamente. De fato costuma-se, em certas ocasiões, se referir à presença de mini-lingotes no produto contínuo.

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Figura 10: Estrutura de cristalização e distribuição de segregação em lingotes.

Aspectos gerais do processo de lingotamento contínuo do aço

No processo de lingotamento contínuo, o aço líquido é transferido da panela para o distribuidor e do distribuidor para um ou vários moldes, figuras 11, 12. Durante este processo de transferência do aço líquido há uma substancial oportunidade de interações entre o aço líquido e a escória, gás e refratários. Nesta seqüência operacional os fenômenos de reoxidação do aço líquido; o arraste e a geração de inclusões não-metálicas devem ser coibidos ou minimizados, para que a qualidade final do produto lingotado continuamente seja alcançada.

Esquemas mais detalhados são mostrados na figuras 13 e 14. Note-se a barra falsa(dummy bar) de partida, o sistema automático de alimentação de pó e o sensor de escória(tipo AMEPA) instalado na saída da panela. Embora máquinas horizontais e verticais tenham sido propostas, prevalece a concepção de um molde reto ou curvo, seguido de seção de dobramento e logo após de endireitamento. As tensões produzidas por estes esforços podem ser particularmente importantes em faixas específicas de temperatura, em que alguns tipos de aços podem se mostrar frágeis.

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Figura 11 – Detalhes de uma máquina de lingotamento contínuo (THOMAS, 2001)

Figura 12 – Esquema de uma máquina de LC dotada de dois veios

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Figura 13 – Detalhes da máquina de lingotamento contínuo do aço líquido (YOSHIDA et al. 1988)

Figura 14 - Uma visão mais detalhada de uma máquina de LC

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Máquinas de LC costumam ser tradicionalmente classificadas de acordo com o produto: de tarugos (billets), de redondos (rounds) de bloco (blooms) e de placas (slabs). Entretanto, em alguns casos, os moldes de uma dada máquina podem ser substituídos. Deste modo blocos podem ser substituídos por pequenas placas. Além destas formas tradicionais, o aço líquido pode ser lingotado em seções mais próximas da aplicação final, “near net shape”, como é o caso de “dogbone” para produção de trilhos. Ou, ao invés de placas convencionais de espessura próxima a 0,25 m placas finas de até 0,10 m de espessura e tiras finas. Em função das perdas térmicas o tempo disponível para lingotamento é limitado a cerca de uma hora; existem limitações quanto à velocidade linear (m/min) em função do tipo de produto. Estas restrições, aliadas ao tamanho da panela, definem o número de veios por máquina. As figuras 15 e 16 ilustram alguns tipos de máquina de LC, destacando-se duas para a produção de não-ferrosos daquelas de produção de aço. A figura 15 mostra um esquema de lingotamento contínuo convencional e outro, de lingotamento de tiras. A figura 16 mostra a concepção do processo Eurostrip, de produção de tiras.

Figura 15 – Tipos de máquinas de lingotamento contínuo(THOMAS, )

Distribuidores apresentam forma específica de acordo com a capacidade de produção e com o tipo de produto, figuras 17 e 18. Maiores tamanhos e/ou maiores profundidades do distribuidor podem ser alternativas para facilitar a flotação e separação de inclusões não-metálicas, particularmente, sob condições de altas velocidades de lingotamento e/ou lingotes de grandes dimensões. Seções menores empregam em geral múltiplos veios; placas são limitadas a dois.

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Figura 16 – Esquema da máquina de lingotamento EUROSTRIP@ twin-roll strip casting plant

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Figura 17 – Formatos de distribuidores de LC

O objetivo operacional do distribuidor é de encorajar a uniformidade térmica e composicional do aço líquido, entregue ao(s) veio(s).

Na prática industrial, a distribuição de fluxos no distribuidor da máquina de lingotamento contínuo pode ser e é modificada e controlada pelo mobiliário daquele, de modo que o método varia de usina a usina. Por mobiliário subtende-se a presença de inibidor de turbulência, supressor de vórtice, obstáculos modificadores de fluxos, válvula tampão; bloco poroso para borbulhamento de gás inerte. A figura 19, por exemplo, ilustra detalhes de um distribuidor projetado pela FOSECO, onde são mostrados o mobiliário concebido por esta empresa: bafle (barreira perfurada), diques e barragens, tampa de cobertura do distribuidor e inibidor de turbulência.

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Figura 18 – Tipos de distribuidores de LC do aço líquido (WOLF, 1996)

Figura 19 – Detalhes de um distribuidor, evidenciando um possível mobiliário e revestimento refratário, projetado pela FOSECO, segundo Clark et al.

A figura 20 apresenta também um exemplo de configuração de distribuidor. O metal líquido é transferido ao molde por meio de um tubo refratário denominado válvula submersa (S.E.N. - submerged entry nozzle). Esta válvula pode não estar presente em operações com menos restrições quanto ao grau de limpeza interna do aço (conteúdo de inclusões). As condições do jato da panela exercem efeitos substantivos sobre a qualidade do aço líquido no distribuidor. Uma situação de jato aberto da panela para o

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distribuidor estimula e faculta a reoxidação do aço e provoca distúrbios na interface metal-escória induzindo a emulsificação escória-metal. A prática de imersão do tubo longo, associada a pratica de confinação do jato da panela, figura 21, reduz substancialmente a taxa de transferência de inclusões não-metálicas da panela para o distribuidor.

Figura 19: Vista em corte de um distribuidor de dois veios.

Figura 21 – Método de confinação e proteção do jato da panela.

O distribuidor atua como verdadeiro reator metalúrgico mais do que um simples vaso de distribuição de metal para os vários moldes envolvidos. Como reator metalúrgico,

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no distribuidor pode-se proceder a desoxidação; ajuste de composição e reaquecimento do aço líquido; remoção de inclusões por vários mecanismos de aglomeração e crescimento de clusters; flotação e separação de inclusões por meio de cortina gasosa, especialmente, perto da zona do jato da panela.

O distribuidor pode ser um local de severa contaminação do aço líquido, figura 22, onde detalhes de um mobiliário do distribuidor são exemplificados: placa de impacto do jato da panela; barreiras mecânicas; válvula tampão, revestimento refratário, escória de cobertura líquida e fluxante do distribuidor. Na zona do jato da panela e sobre o veio pode ocorrer a oxidação do alumínio residual e absorção de nitrogênio (1). Na interface metal-escória pode ocorrer a oxidação do alumínio pelos componentes óxidos da escória de cobertura (2). Na zona do jato da panela e nas vizinhanças do veio podem ocorrer erosão e dissolução do revestimento refratário do distribuidor (3).Na região entre a zona do jato da panela e o veio deve ocorrer a desoxidação, flotação e separação de inclusões (4).

Figura 22- Esquemático do distribuidor

O molde costuma ser considerado o coração da máquina. O comportamento fluidodinâmico e térmico do aço líquido no interior do molde depende também do que ocorre no distribuidor e válvula submersa, pois são reatores conectados, figura 23. Esta figura diz respeito ao lingotamento de placas, o que normalmente requer (comparativamente ao lingotamento de tarugos) condições metalúrgicas mais precisas. Evidencia portanto a presença da escória de cobertura no distribuidor; detalhes geométricos e operacionais da válvula submersa (SEN) --- profundidade de imersão,

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ângulo e abertura --- válvula gaveta para controle do fluxo de aço entrante no molde; injeção de argônio no topo da válvula submersa para remoção de inclusões procedentes do distribuidor; características do fluxante do molde e evolução da pele sólida formada ainda no interior do molde.

Figura 23 – Detalhes da máquina de LC e distribuição de fluxos no distribuidor e no molde THOMAS & VANKA, 2000, THOMAS, 2001

A figura 24 evidencia alguns fenômenos que ocorrem no interior do molde, tais como: zona de resfriamento; estados físicos das camadas de fluxante do molde; frente de solidificação, entranhamento da escória de molde na poça de aço; marcas de oscilação; gap de ar; comportamento do jato de aço líquido na saída da SEN; flotação e aprisionamento de bolhas e inclusões não-metálicas, abaulamento.

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Figura 24 – Representação esquemática de fenômenos na região do molde (THOMAS, 2001)

O estado de turbulência na região do menisco (topo do molde) influencia sobre a dissipação de superaquecimento; formação e crescimento da pele sólida; fusão e lubrificação da escória de molde, aprisionamento de bolhas e de inclusões de escória, ver figura 25. Os parâmetros e variáveis que influenciam sobre o estado de turbulência na região do menisco são: velocidade de lingotamento; forma e dimensão do molde; grau de superaquecimento; geometria, posicionamento e profundidade de imersão da SEN; ângulo dos furos de saída da válvula submersa.

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Figura 220 – 1) Entranhamento causado pela reversão de fluxo reverso na face estreitado molde; 2) Cisalhamento da escória de cobertura; 3) formação de vórtice ; 4) Distúrbio na interface causado pelas bolhas oriundas da SEN. (YAMASHITA e OGUCHI, 2001)

Estas considerações foram feitas tomando o lingotamento de placas como exemplo mas algumas delas se aplicam também ao caso de seções menores, como tarugos e redondos. Estes podem ser lingotados utilizando-se óleo (o que permite altas taxas de transferência de calor e alta produtividade) ou pó fluxante. No segundo caso o emprego de pó fluxante procura assegurar qualidade superficial e interna – baixo grau de reoxidação e baixo conteúdo de inclusões – pontos críticos na produção de Steel Cord e aço para rolamentos.

Embora destaque tenha sido dado aos fenômenos observados no distribuidor e molde, o sucesso da operação depende também do que ocorre abaixo deste último. O resfriamento e a solidificação prosseguem sob a ação sprays de água e mesmo de radiação, figura 26. O processo de solidificação pode se estender por dezenas de metros abaixo do molde e durante o trajeto pela máquina a superfície e o interior do lingotado estão sujeitos a tensões térmicas e tensões induzidas pelo processo de dobramento e desdobramento, que são adicionadas à pressão ferrostática. A espessura e a resistência mecânica a quente devem se suficientes para se sobrepor a estas tensões, sob o risco de aparecimento de trincas superficiais e internas. Daí fica evidente que o controle da máquina não termina no molde, sendo necessária uma política de extração de calor ao longo de toda a máquina.

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Figura 26- Diagrama esquemático de uma máquina de LC.

Alguns pontos de destaque no LC:

A operação de LC, caracterizada pela transformação líquido-sólido, representa a última oportunidade de influir decisivamente nas propriedades químicas e físicas do aço. Esta afirmativa pode ser considerada por uns um tanto quanto exagerada desde que tratamentos termomecânicos posteriores são responsáveis pela forma e propriedades, tais como percebidas pelo consumidor. Entretanto, num tom pessimista, uma operação de LC mal conduzida pode levar a semi-produtos com características desfavoráveis tais como:

grau de limpeza interna, número de inclusões; qualidade superficial e sub-superficial; trincas e slivers. grau de segregação, enxofre; composição química

que os torna inviáveis quanto a utilização.

Eventualmente, mesmo uma operação correta, do ponto de vista de características do produto, pode ser comprometida do ponto de vista econômico.

São muitos os aspectos que determinam as características dos semi-produtos de lingotamento. O molde, lugar da solidificação inicial, é considerado ser o coração da máquina de LC. Neste devem ser levadas em conta, por exemplo:

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A transferência de calor molde-metal. Existe uma espessura crítica de pele solidificada, medida na saída do molde, acima da qual a pele é capaz de resistir à pressão ferrostática conjugada aos esforços de dobramento-desdobramento.

O papel do pó fluxante (ou óleo) na lubrificação, transferência de calor e captação de inclusões;

A história térmica do material pós-molde e como se relaciona à geração de trincas;

Fluidodinâmica no molde, tal como influenciado pela geometria do sistema e regime de fluxo;

A estrutura de solidificação, como é definida por fatores como “super-heat”, composição, agitação eletromagnética.

Entretanto, molde e distribuidor estão interconectados, de modo que este último impacta as características finais do produto. Alguns pontos a considerar, neste aspecto, seriam.

A influência da estratégia de troca de panelas, durante o seqüencial de corridas sobre o produto de intermix.

A adoção de dispositivos controladores de fluxo, como barreiras, diques e controladores de turbulência, tampão, borbulhamento de gases, sobre a distribuição de fluxos;

A proteção do metal via pó de cobertura .

Qualquer lista como esta é criticável por ser incompleta; no entanto, pode ser considerada um ponto de partida.

Vantagens Do Lingotamento Contínuo:

Considerando então as características do lingotamento convencional e do lingotamento continuo (LC), citam-se as vantagens seguintes, deste último.

Embora em ambas as seqüências possam existir estações de refino secundário, a seqüência de operações do convencional seria mais longa: vazamento na panela; lingotamento em moldes; estripagem; encharque e reaquecimento em fornos-poços; laminação de desbaste; a seqüência de operações no contínuo seria mais curta: vazamento na panela; lingotamento contínuo.

Maior rendimento metálico no lingotamento convencional por redução de perdas relativas a: lingotes curtos; corte de cabeça e pé; carepa de forno poço.

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O aço lingotado continuamente poderia ser de melhor qualidade: devida à menor variabilidade em estrutura e composição, principalmente ao longo do comprimento.

O consumo global de energia no LC seria menor, pois: fornos poços são eliminados; o laminador desbastador não é necessário

Existiria ainda a redução de poluição pela eliminação das instalações dos fornos poços e desbastador e a redução de custos de capital e operacional, menor necessidade de mão-de-obra, maior rendimento.

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