3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 DESCRIÇÃO GERAL DO PROCESSO DE LINGOTAMENTO CONTÍNUO
O lingotamento contínuo é um processo altamente promissor e mais de 1 bilhão de toneladas de aço são lingotados por ano via este método (MILLS et al., 2014). Um diagrama simplificado do processo é mostrado na figura 1. Em geral, é um processo de transformação do metal líquido, que pode ou não ser proveniente de processos
anteriores de refino, em produto ou semi-produto sólido, podendo ter a forma de tarugos de seção redonda, quadrada, placas, blocos, perfis semi-acabados, entre outros. Esta transformação se dá pela modelagem ininterrupta do metal líquido em moldes, impondo-se a este um resfriamento forçado intenso (SAHAI e EMI, 1996)
Fonte: MILLS et al., 2014.
Segundo Garcia e colaboradores (2006), o lingotamento contínuo pode ser considerado, essencialmente, como um processo de transferência de calor no qual o metal líquido é transformado, via solidificação, em um produto sólido semi-acabado. O aço, já com a composição química desejada, é recebido em uma panela e então transportado para um distribuidor por meio de uma válvula longa. Através de válvulas submersas é transportado para o molde de cobre refrigerado com água para solidificação onde forma-se primeiramente uma “pele” quando em contato com a parede do molde. Para prevenir o agarramento desta “pele” sólida no molde é adicionado pós fluxantes e, além disso, há um constante movimento vertical do molde (MILLS et al., 2014).
A solidificação do aço no processo é obtida pela extração do calor em três etapas distintas como mostrado na figura 2. A primeira etapa é chamada de resfriamento primário e é realizado no molde de cobre refrigerado com água; já no resfriamento secundário a extração de calor é feita com sprays que borrifam água ou o chamado
Figura 1 - Diagrama esquemático do conjunto panela, distribuidor, molde e placa de aço em solidificação.
spray mist (água e ar) na superfície do material a ser lingotado; e o resfriamento terciário é realizado pelo próprio ar na chamada região de radiação livre (GARCIA et al., 2006).
Fonte: GARCIA et al., 2006.
A figura 3 mostra os principais componentes de uma máquina de lingotamento contínuo. São eles: torre giratória e panela; carro distribuidor e distribuidor; barra falsa; molde; oscilador; rolos de apoio; sprays de refrigeração; máquina de corte; balança de placa; marcador e rebarbador.
Fonte: Adaptado de BARRAL, 2006.
Figura 2 - Esquema ilustrando as três zonas de resfriamento no processo de lingotamento.
No início da corrida, uma barra falsa é impulsionada pelos rolos extratores e inserida no veio, pela sua parte inferior, até a região superior do molde (VALADARES, 2005). Isso é feito para que o aço proveniente do distribuidor tenha certo tempo para criar a “pele” e sustentar a pressão ferrostática quando da saída do molde.
A panela transporta o aço líquido para a plataforma de lingotamento contínuo e é também utilizada como um reservatório de aço durante o processo. Quando a panela é aberta, o aço é transferido para o distribuidor pela válvula longa (tubo refratário). O distribuidor tem por finalidade principal manter a continuidade do processo, em especial, em trocas de panela e regular o fluxo de aço líquido para um ou dois moldes. Somado a isto, o distribuidor é projetado com a finalidade de possibilitar a realização de várias operações metalúrgicas, tais como a separação e flotação de inclusões, controle do superaquecimento e homogeneização térmica e química do aço (BARRAL, 2006).
No momento em que o distribuidor atinge o peso visado, a válvula gaveta, situada na parte inferior do distribuidor, é aberta e o aço entra em contato com o molde e a barra falsa. 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. É impotante destacar que durante todo o processo o molde está sujeito a um movimento de oscilação vertical que permite facilitar a lubrificação na interface molde e pele (NASCIMENTO, 2008).
A partir do momento que a placa sai do molde, a pele formada deve ser sustentada pelos rolos de apoio para que abaulamentos indesejados não aconteçam. Os sprays de refrigeração atuam como resfriamento secundário e o calor perdido devido radiação e convecção natural atuam como resfriamento terciário para que a solidificação da placa seja completa e o corte seja realizado sem grandes problemas. Quando o aço líquido da panela é esgotado, a torre giratória efetua a mudança de panela para manter o processo contínuo.
3.2 MOLDE
Um molde convencional para lingotamento de tarugos e blocos é basicamente constituído de uma camisa de cobre posicionada no interior de uma jaqueta de aço inoxidável com água passando pela fenda entre eles. Normalmente, a camisa de cobre é fixada na parte superior e inferior por chapas (conhecidas como “constraints”) e a lubrificação entre a parede interna e o metal é feita por pó fluxante ou óleo vegetal e/ou mineral de acordo com as condições de vazamento (GARCIA et al., 2006).
No caso do lingotamento contínuo de placas, o molde é constituído por quatro placas de cobre refrigeradas (duas faces largas e duas faces estreitas) e deslocáveis mecânica ou hidraulicamente o que permite o ajuste da largura e espessura desejadas para o produto final. Os dois tipos de molde estão mostrados na figura 4 (GARCIA et al., 2006).
Fonte: GARCIA et al., 2006.
Segundo Valadares (2005), as principais funções do molde no lingotamento contínuo são:
Extrair calor do aço a uma taxa suficiente para possibilitar a formação de uma camada solidificada que não se rompa quando sujeita ao complexo de tensões abaixo do molde;
Suportar o veio nos estágios iniciais de solidificação; e
Dar a forma requerida ao produto.
A transferência de calor no molde de lingotamento contínuo é governada por vários fenômenos complexos como mostrado na figura 5. O metal líquido flui para a cavidade do molde através da válvula submersa (tubo refratário), onde é situado um furo para controlar o fluxo de aço para o molde (NAJJAR, THOMAS E HERSHEY, 1995). Esta válvula impede a reoxidação do aço, assim como o pó fluxante utilizado no processo.
A direção do jato de aço controla a turbulência do fluxo na cavidade do molde, o que afeta a transferência de calor na interface sólido/líquido e o crescimento da pele solidificada. O aço líquido solidifica contra as quatro paredes do molde de cobre refrigerado a água enquanto é continuamente extraído para baixo a uma determinada velocidade de lingotamento (MENG e THOMAS, 2003).
Fonte: Adaptado de MENG e THOMAS, 2003. Figura 5 - Esquema do molde de lingotamento contínuo.
Segundo GARCIA e colaboradores (2006), a transferência de calor a partir do centro do lingote na região do molde ocorre nas seguintes etapas:
Condução e convecção no metal líquido;
Condução através da casca sólida;
Condução através da camada de pó fluxante;
Condução e radiação através do gap que separa o molde e a superfície do lingote;
Condução através da parede do molde; e
Convecção na água de refrigeração.
A figura 6 mostra as resistências envolvidas em cada parte, a saber: Ra: resistência térmica da interface água de refrigeração/molde [m2/W]; Rm: resistência térmica da parede do molde [m2/W]; Ri: resistência térmica da interface metal/molde (gap) [m2/W]; Rlb: resistência térmica da camada de lubrificante [m2/W]; Rs: resistência térmica da casca sólida [m2/W] e RL: resistência térmica do aço líquido [m2/W].
Fonte: GARCIA et al., 2006.
3.3 PÓ FLUXANTE
A utilização de pós fluxantes entre as superfícies da interface metal/molde, reduz o atrito e ajuda a impedir o agarramento (colamento ou sticker) da pele solidificada à superfície do molde. Além disso, o desgaste do molde e a formação de defeitos também são reduzidos (RIZZO, 2006).
Os pós fluxantes consistem de uma mistura de minerais que em contato com o aço líquido devem fundir e gerar uma escória líquida com características específicas para cada condição de lingotamento e possuem aproximadamente a seguinte composição: 70% (CaO e SiO2), 0-6% MgO, 2-6% Al2O3, 2-10% Na2O (+K2O), 0-10% F e adições variáveis de TiO2, ZrO2, B2O3, Li2O e MnO. Para complementar, pode-se observar na tabela 1 algumas típicas composições de pós fluxantes comerciais. (VALADARES, 2005; MILLS et al., 2004). Essa mistura de materiais está disponível em diversas formas e tamanhos. Podem ser utilizados material em pó com tamanho de grão entre 75 e 150µm e granulados esféricos ou extrudados com grãos entre 147 e 833µm (MOORE, PHILLIPS, GIBBS, 1991).
Fonte: CRUZ et al.; 2007.
Na tabela 2, pode-se observar que os materiais em pó possuem o melhor preço devido o processo de fabricação ser o mais simples. A superioridade no isolamento térmico é obtida em virtude da presença de ar entre os grãos. Além disso, a elevada flexibilidade no molde se deve ao fato de o pó se manter estável na cobertura do aço líquido mesmo em momentos de grande agitação, pois não possui a facilidade de espalhar-se homogeneamente evitando que o aço fique exposto ao meio ambiente, porém em contrapartida não possui boa espalhabilidade (BEZERRA, 2006).
Fonte: BEZERRA, 2006.
Em detrimento às vantagens, o material em pó gera um impacto ambiental maior devido ser constituído de partículas finas e portanto se tornar mais propenso a se manter em suspensão na atmosfera durante seu manuseio (BEZERRA, 2006). No entanto, se comparado aos outros tipos de fluxantes, apresenta a melhor relação custo-benefício e, portanto, é o mais utilizado atualmente. Quanto a sua composição, esta dependerá das propriedades requeridas no processo e são desenvolvidos para atender a cada condição de lingotamento e cada tipo de aço.
Atualmente, o processo mais utilizado na fabricação dos pós fluxantes é a secagem por spray dryer a qual é esquematizada na figura 7. Neste processo, as matérias primas são pesadas e misturadas em tanques agitadores junto de uma proporção ideal de água para formar uma suspensão argilosa chamada barbotina. Esta suspensão é bombeada e transferida para o tanque de alimentação do spray dryer para posterior condução adentro da câmara de spray. No processo, define-se o tamanho do bico do spray, a pressão de entrada do material, densidade e viscosidade da barbotina a fim de atender a especificação de tamanho dos grãos aglomerados a serem formados (BEZERRA, 2006).
A câmara do spray dryer é aquecida por meio de um queimador situado na parte superior, e a suspensão argilosa é inserida em contracorrente. As gotas da suspensão, em alta temperatura, secam imediatamente gerando esferas ocas e Tabela 2 - Tabela comparativa dos tipos de fluxantes.
perfeitas devido à alta tensão superficial deste tipo de barbotina. O grão seco cai por gravidade em uma peneira vibratória para uma eventual separação de materiais que ficaram aderidos à parede do equipamento. O material selecionado é direcionado para a correia transportadora até o elevador de canecas que conduz as partículas do fluxante para o silo de armazenamento e posterior embalagem (BEZERRA, 2006).
Fonte: BEZERRA, 2006.
A fim de melhorar a uniformidade de composição química, os fluxantes podem também ser fornecidos com uma grande porcentagem de material pré-fundido. Neste caso, as matérias-primas são dosadas e misturadas para fusão. A mistura líquida é então vertida em uma piscina com água a fim de ocorrer a solidificação do material fundido sem a cristalização. Em seguida o material é seco e moído para ser utilizado como uma das matérias-primas que compõem o fluxante (BEZERRA, 2006).