Todo o procedimento experimental foi executado no laboratório do Centro de Pesquisas da Aperam South America.
4.1- Elaboração do Aço
Os materiais utilizados neste experimento foram amostras de três corridas de aço silício de grão não orientado GNO, Fe-C-3% em massa de Si, com três teores diferentes de Sb, na forma de esboço com 28mm de espessura, retiradas após a laminação a quente industrial de desbaste. A composição química obtida das ligas está listada na tabela IV.1.
Foram objetivados os seguintes teores de Sb: Padrão – isenta de Sb;
Adição de 0,04% em massa de Sb; Adição de 0,08% em massa de Sb.
Tabela IV.1 - Composição química (% em massa) das ligas.
Corrida C Mn Si P S Cr Ni Mo Al Sb N
1 0,0021 0,51 3,03 0,029 0,0016 0,08 0,02 0,0097 0,0030 0,0000 26
2 0,0023 0,56 3,02 0,019 0,0010 0,02 0,01 0,0099 0,0027 0,0446 24
3 0,0024 0,52 3,00 0,026 0,0008 0,08 0,02 0,0096 0,0030 0,0980 23
O processo de obtenção destas ligas na Aciaria da Aperam, figura 4.1, envolveu a seguinte sequência de equipamentos e operações: carro torpedo com carregamento de gusa vindo do alto-forno; estação de pré-tratamento de gusa (PTG) para dessulfuração; MRP-L (“Melting Refinig Process by Lance”) para adição de ligas e fundentes para formação de escória; um forno panela (FP) para ajuste da composição química, escória e temperatura, um VOD (Vacuum Oxygen Decarburization) para descarburação, adição de silício e ajuste de escória, e uma máquina de lingotamento contínuo (LC) para obtenção das placas com 200mm de espessura. Este processo garantiu baixos níveis de residuais como enxofre, titânio, nitrogênio e carbono, fundamentais para obtenção de produtos de boa qualidade magnética.
MRP-L F.P. PTG VOD 1 L.C. 1 L.C. 2 VOD 2 MRP-L F.P. PTG VOD 1 L.C. 1 L.C. 2 VOD 2
Figura 4.1- Fluxo de produção de aços GNO na Aciaria da Aperam.
Os métodos utilizados para as análises da composição química das amostras de aço foram: - análise do gás proveniente da queima superficial da amostra com sensor por infravermelho, no equipamento LECO, modelo CS44 e HF-400 para o C, S e N2;
- Para os demais elementos inclusive o Sb usou-se a espectrometria de emissão ótica, no equipamento ARL – 4460 ilustrado na figura 4.2.
Figura 4.2- Equipamento espectrômetro de emissão ótica thermo ARL modelo 4460.
4.2- Processamento Termomecânico
4.2.1- Laminação industrial a quente das placas até o esboço
As placas de 200mm de espessura provenientes da Aciaria foram reaquecidas a 1100°C no forno Walking Beam ou soleira caminhante, a seguir descarepadas com água a alta pressão e
laminadas em 7 passes no laminador desbastador (Rougher) para a espessura de esboço de 28mm. Durante o corte de pontas foram retiradas amostras de 500mm de comprimento e 1060 mm de largura (figura 4.3). As amostras foram conduzidas para o corte a laser na dimensão de 70mm de comprimento e 100mm de largura.
Fase em que foi retirada a amostra de esboço. H S B Esboço Bobina a quente T e so ur a Walking Beam Descarepação
Rougher Mi Steckel Mill
Resfriamento Bobinadeira Fase em que foi retirada a amostra de
esboço. H S B Esboço Bobina a quente T e so ur a Walking Beam Descarepação
Rougher Mi Steckel Mill
Resfriamento Bobinadeira
Figura 4.3 - Fluxo de processo da laminação de tiras a quente da Aperam.
4.2.2- Processamento termomecânico em laboratório 4.2.2.1- Laminação a Quente
As amostras de esboço de 28mm de espessura foram submetidas em laboratório a um reaquecimento à temperatura de 1150°C em um forno tipo mufla e posterior laminação a quente.
No processo de laminação a quente, foram objetivadas três temperaturas diferentes: 920°C, 1040°C e 1120oC, visando obter amostras laminadas a quente com as espessuras de 1,5mm, 2mm e 2,5mm, sendo que o planejamento de experimento previa a geração de 27 amostras considerando três teores de antimônio, três temperaturas de laminação a quente e três espessuras de bobina a quente (BQ). O planejamento experimental é mostrado na tabela IV.2 e os valores experimentais de teor de Sb, temperaturas de laminação a quente e espessuras médias obtidas são mostrados na tabela IV.3.
Tabela IV. 2– Planejamento experimental. Metalografia EBSD 1 0 1,5 920 550 Sim Sim 2 0 1,5 1040 550 Sim Sim 3 0 1,5 1120 550 Sim Sim 4 0 2 920 550 Sim Sim 5 0 2 1040 550 Sim Sim 6 0 2 1120 550 Sim Sim 7 0 2,5 920 550 Sim Sim 8 0 2,5 1040 550 Sim Sim 9 0 2,5 1120 550 Sim Sim 10 0,04 1,5 920 550 Sim Sim 11 0,04 1,5 1040 550 Sim Sim 12 0,04 1,5 1120 550 Sim Sim 13 0,04 2 920 550 Sim Sim 14 0,04 2 1040 550 Sim Sim 15 0,04 2 1120 550 Sim Sim 16 0,04 2,5 920 550 Sim Sim 17 0,04 2,5 1040 550 Sim Sim 18 0,04 2,5 1120 550 Sim Sim 19 0,08 1,5 920 550 Sim Sim 20 0,08 1,5 1040 550 Sim Sim 21 0,08 1,5 1120 550 Sim Sim 22 0,08 2 920 550 Sim Sim 23 0,08 2 1040 550 Sim Sim 24 0,08 2 1120 550 Sim Sim 25 0,08 2,5 920 550 Sim Sim 26 0,08 2,5 1040 550 Sim Sim 27 0,08 2,5 1120 550 Sim Sim Sequencia das amostras BQ laminada a quente em 7 passes Temperatura de bobinamento (°C) Temperatura objetivada de laminação a quente (°C) Espessura da BQ objetivada (mm) Teor de Sb objetivado (%)
Tabela IV.2 – Planejamento experimental – Continuação. Temperatura de recozimento (°C) Tempo de recozimento (s) Concentração de HCl (%) Metalografia EBSD Composição química Espessura (mm) Difração de RX Temperatura de recozimento (°C) Tempo de recozimento (seg)
Metalografia EBSD magnéticaPerda magnéticaIndução
1 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,77 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
2 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,77 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
3 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,77 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
4 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,83 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
5 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,83 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
6 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,83 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
7 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,86 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
8 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,86 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
9 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,86 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
10 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,77 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
11 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,77 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
12 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,77 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
13 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,83 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
14 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,83 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
15 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,83 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
16 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,86 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
17 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,86 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
18 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,86 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
19 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,77 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
20 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,77 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
21 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,77 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
22 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,83 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
23 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,83 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
24 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,83 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
25 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,86 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
26 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,86 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
27 1030 60 20 Sim Sim Sim 0,86 0,35 Sim 1030 60 Sim Sim Sim Sim
BF após laminação a frio BQ laminada a quente recozida e decapada Grau de
deformação a frio objetivado
(%)
BF após laminação a frio e recozimento final Sequencia
das amostras
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Tabela IV.3– Identificação das amostras de 1 a 27 e valores experimentais dos teores de Sb, das temperaturas de laminação a quente e espessuras médias das amostras laminadas a quente.
1,45 1,81 2,25 0 1 4 7 930 0 2 5 8 1050 0 3 6 9 1135 0,045 10 13 16 930 0,045 11 14 17 1050 0,045 12 15 18 1135 0,098 19 22 25 930 0,098 20 23 26 1050 0,098 21 24 27 1135 Espessura (mm) Sb (%) Temperatura (°C)
As temperaturas foram monitoradas por termopares introduzidos nas amostras e por pirômetro ótico com feixe de laser modelo Raynger 3i (RAYR312ML3B) do fabricante Raytek e com emissividade 0,92. O reaquecimento das amostras entre os passes de laminação ocorreu de forma a simular os fornos utilizados no laminador reversível Steckel e foi feito em um forno tipo mufla, utilizando ar como atmosfera interna, com portas em suas extremidades, aquecimento por resistência elétrica e capacidade para alcançar 1200°C. Após cada passe a amostra retornava para o forno sendo reaquecida para a temperatura objetivada e as temperaturas entre os passes foram medidas através de pirômetro ótico.
Após laminação a quente em 7 passes, as amostras foram resfriadas rapidamente ao ar forçado até 550°C e mantidas em um forno nesta temperatura durante 2 horas simulando a temperatura de bobinamento e, a seguir, resfriadas ao ar até a temperatura ambiente. Após esta fase foram retiradas amostras para análise metalográfica e de textura.
Para realizar a laminação a quente foram utilizados os seguintes equipamentos:
a) um forno estático tipo mufla, com aquecimento por resistência elétrica e capacidade para atingir 1400°C e ar atmosférico como atmosfera interna, para simular o reaquecimento das amostras na forma de esboço;
49
b) um laminador reversível, na configuração duo, diâmetro dos cilindros 250mm, com capacidade de carga de 150 toneladas, modelo 4-085 do fabricante Fenn – United Dominion Co;
c) um forno tipo mufla, com duas aberturas contrapostas, ar atmosférico como atmosfera interna, com aquecimento por resistência elétrica e capacidade para alcançar 1200°C, para reaquecimento das amostras entre passes durante a laminação, para simular os fornos utilizados no laminador reversível Steckel;
d) um pirômetro ótico com feixe a “laser”, modelo Raynger 3i (RAYR312ML3B) do fabricante Raytek para medição e controle de temperatura dentro do forno e na mesa de laminação;
e) uma tomada de ar comprimido com bico de pressão de 1,0kgf/mm2 para promover o resfriamento das amostras após a laminação;
f) um forno tipo mufla, com duas aberturas contrapostas, com ar atmosférico, com atmosfera interna e aquecimento elétrico por resistência com capacidade para 1200°C, para simular as condições de resfriamento durante o bobinamento das amostras.
g) termopar tipo “K” com bainha de inconel 600, espessura 1,0mm, isolação mineral de MgO, com 8m de comprimento, para medição de temperatura interna das amostras de esboço durante o reaquecimento até o início da laminação;
h) um queimador a GLP para aquecimento dos cilindros de laminação;
i) acessórios de apoio à operação de laminação como tenazes, leito de resfriamento refratário, tesouras, micrômetro, paquímetro, registrador de temperatura, materiais de segurança, etc.
50
Figura 4.4– Amostras laminadas a quente.
4.4.2.2- Recozimento inicial e decapagem
Todas as amostras geradas na fase de laminação a quente foram submetidas ao recozimento inicial em forno tipo mufla à temperatura de 1030°C por 60s e resfriadas ao ar. Logo após foram submetidas ao processo de remoção da carepa (óxidos de Fe) em banhos de ácido clorídrico a uma concentração de 20%. Este processo de decapagem é importante para garantir a limpeza superficial das amostras para o processo seguinte de laminação a frio.
A figura 4.5 mostra algumas amostras após recozimento inicial e após esta fase foram retiradas amostras para análise de textura e metalográfica.
Figura 4.5 - Exemplo das amostras laminadas a quente e submetidas ao recozimento inicial a 1030°C.
51
4.2.2.3- Laminação a frio e recozimento final
No processo seguinte, após a remoção da carepa, as amostras foram laminadas a frio para espessura final de 0,35mm em um laminador tipo Fenn reversível quádruo, resultando em três graus de redução a frio médios, 76, 81 e 84%, para cada teor de Sb e para cada temperatura de laminação a quente.
Após esta fase foram retiradas amostras para análise de textura.
As amostras laminadas a frio (BF – bobina laminada a frio) foram submetidas ao recozimento final em forno contínuo na temperatura de 1030°C por 60s e atmosfera de 90%H2/10%N2 e ponto
de orvalho < -30°C, conforme planejamento experimental mostrado na tabela IV.2.
Após esta fase foram retiradas amostras para análise de textura cristalográfica, metalografia e propriedades magnéticas.
4.2.2.4- Recozimento a diferentes temperaturas das amostras laminadas a frio
Após laminação a frio foram separadas amostras com os três valores de Sb, temperatura de laminação a quente fixa de 1050°C e grau de deformação a frio fixo de 81%, para avaliar a evolução da textura cristalográfica, nucleação e crescimento de grão como uma função da temperatura de recozimento final. As temperaturas de recozimentos parciais foram 630°C, 670°C, 730°C, 770°C, 850°C, 910°C e 1030°C, após o recozimento, as amostras foram preparadas para a análise da evolução de textura e tamanho de grão através do EBSD e Difração de Raios-X, conforme planejamento mostrado na tabela IV.4.
Para realizar a laminação a frio e o recozimento foram utilizados os seguintes materiais e equipamentos:
a) becker com solução de ácido clorídrico 20% e fluorídrico 5%, chapa com aquecedor elétrico, termômetro de contato e estufa para realização das operações de decapagem;
52
b) um laminador reversível, com capacidade de carga de 150 toneladas, modelo 4-085 do fabricante Fenn - United Dominion Co, com configuração quádruo para laminação das espessuras iniciais de BQ até 0,35mm, para laminação a frio.
Tabela IV.4- Planejamento do recozimento a final a diferentes temperaturas. Temperatura (°C) N2/H2 (%) PO (ºC) Velocidade (m/min) Teor de Sb (% em massa) 630 100/0 < - 30 2 0 630 100/0 < - 30 2 0,045 630 100/0 < - 30 2 0,098 670 100/0 < - 30 2 0 670 100/0 < - 30 2 0,045 670 100/0 < - 30 2 0,098 730 100/0 < - 30 2 0 730 100/0 < - 30 2 0,045 730 100/0 < - 30 2 0,098 770 100/0 < - 30 2 0 770 100/0 < - 30 2 0,045 770 100/0 < - 30 2 0,098 850 100/0 < - 30 2 0 850 100/0 < - 30 2 0,045 850 100/0 < - 30 2 0,098 910 100/0 < - 30 2 0 910 100/0 < - 30 2 0,045 910 100/0 < - 30 2 0,098 1030 10/90 < - 30 2 0 1030 10/90 < - 30 2 0,045 1030 10/90 < - 30 2 0,098
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c) uma estação de desengraxamento com detergente tipo AD-2, do fabricante Daido, a base de sódio, para retirada do excesso de óleo após a laminação frio;
d) um forno tipo mufla, com uma abertura, ar atmosférico como atmosfera interna, com aquecimento por resistência elétrica e capacidade para alcançar 1200°C, para realizar o recozimento inicial das amostras com espessuras de BQ (bobinas laminadas a quente);
e) termopar tipo “K” com bainha de inconel 600, espessura 1,0mm, isolação de MgO, com 8m de comprimento, para medição de temperatura das amostras durante o recozimento inicial das amostras na espessura de BQ e medição de temperatura durante a passagem das amostras com 0,35mm(BF) pelo forno contínuo durante o recozimento final;
f) um forno tipo contínuo, com uma retorta de 14m de aço inoxidável 310, com zona de aquecimento por resistência elétrica com 2,2m úteis com capacidade para alcançar 1100°C e zona de resfriamento por camisa d’água circulante, para realizar o recozimento final das amostras. A atmosfera deste forno é controlada com a opção de injeção de N2 e H2 secos ou úmidos,
misturados em qualquer proporção ou puros. A passagem da amostra pelo forno é realizada através de uma tira na qual a amostra é soldada. A tensão na amostra soldada controlada por um rolo puxador com capacidade de carga de 50kgf, com uma célula de carga instalada e mostrador digital, e a velocidade controlada por um rolo empurrador na faixa de zero a 5,0m/min;
g) um medidor de ponto de orvalho da marca Edgetech modelo 2A533 com faixa de medição de –40 a +100°C e capacidade de depressão do seu peltier de 60°C, para controlar a umidade presente no forno durante o recozimento final;
h) um medidor do teor de hidrogênio do fabricante Hartmann & Braun modelo Caldos- 7G para medição do teor de hidrogênio no recozimento final;
i) acessórios para a etapa de laminação a frio como micrômetro, paquímetro, tesouras, máquina de solda, registrador de temperatura, material de segurança, etc.
54 4.3- Ensaios realizados 4.3.1- Testes magnéticos
Para realização dos testes magnéticos as amostras foram cortadas em tesouras tipo guilhotina de lâminas paralelas nas dimensões de 305mm na direção de laminação e 30mm na direção transversal. Como a largura da amostra original era de 100mm, foram descartadas as bordas com 20mm cada, gerando duas tiras úteis através da largura da amostra original. Para cada amostra após recozimento final foram retiradas pelo menos quatro tiras para testes magnéticos.
Os testes magnéticos foram realizados no acessório chapa única do aparelho MPG10D do fabricante Brockhaus nas dimensões de 305mm x 30mm x 0,35mm. A perda magnética a 1,5T/50Hz e a indução magnética a 5000A/m foram medidas nas amostras finais. O valor da propriedade correspondente a cada evento é a média aritmética dos valores obtidos nos testes, eliminando amostras acidentadas durante o processo.
Para eliminar os efeitos das pequenas variações de espessura sobre o valor da perda magnética, os resultados das medições foram corrigidos para uma única espessura, 0,35mm, por meio da equação 4.1, deduzida a partir da equação clássica de cálculo da parcela de perdas por correntes parasitas. Esta equação considera que pequenas variações de espessura provocam variações apenas nesta parcela de perda magnética. Este procedimento é razoável, pois as variações de espessura são bastante pequenas (Paolinelli, 2008a).
(
)
d 6 e e f B P P 2 i 2 n 2 2 2 i n ρ − π + = (4.1)Sendo Pn a perda magnética total (W/kg) na espessura en (m) para a qual se quer a correção; Pi é a
perda magnética total (W/kg) na espessura original ei (m), B é a indução magnética de pico em
(T); f é a frequência de teste em (Hz); d é a densidade em kg/m3 e ρ é a resistividade elétrica da liga em (Ωm).
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Para realização dos testes magnéticos foram utilizados os seguintes equipamentos:
a) uma tesoura do tipo guilhotina com lâminas paralelas de aço ferramenta, modelo GMN1202, do fabricante Newton utilizada para acerto dimensional das amostras.
b) uma tesoura do tipo guilhotina com lâmina paralela de aço ferramenta do fabricante MDKF para o corte final de 305mm x 30mm das amostras para teste magnético;
c) um medidor de propriedades magnéticas modelo MPG100D do fabricante Brokhaus com o acessório chapa única para teste nas amostras de 305mm x 30mm.
4.3.2- Tamanho de grão
O tamanho de grão das amostras retiradas após laminação a quente, após recozimento inicial e após recozimento final foi avaliado em microscópio ótico modelo DMRM do fabricante Leica, uma capacidade de aumento de 1000X, com analisador de imagem para análise da estrutura de grãos e determinação do tamanho de grão por meio do “software” IA3001, que realiza as medições através da área interna dos contornos de grãos revelados. Foram feitas análises em 3 campos diferentes das amostras e o resultado final é a média aritmética dos 3 campos. As análises de tamanho de grão foram realizadas na direção de laminação com preparação convencional e ataque com nital 5%.
4.3.3- Textura cristalográfica
A caracterização das componentes de textura cristalográfica das amostras laminadas a quente (BQ – bobina a quente) e das submetidas ao recozimento inicial (BQR – bobina a quente submetida ao recozimento inicial) foram realizadas em um microscópio eletrônico de varredura modelo XL-30 do fabricante Philips com Electron Back Scattering Diffraction (EBSD) EDAX.TSL.
A caracterização das componentes de textura cristalográfica das amostras de 0,35mm de espessura (após laminação a frio e após recozimento final) foi realizada num difratômetro de
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raios-X modelo X´PERT PRO MPD com anodo de cobre, do fabricante Philips. O software MTM-FHM (Fast Harmonic 63 Method) foi usado para determinação da função de distribuição de orientação cristalográfica (FDOC) e frações volumétricas das orientações de interesse.
Foram determinadas as frações volumétricas das fibras e componentes de textura de interesse e FDOC (Função de Distribuição de Orientações Cristalográficas) para as amostras na forma de BQ, BQ recozida, BF laminada (amostra após laminação a frio com 0,35 mm de espessura) e BF recozida (amostra com 0,35mm de espessura após recozimento final).
4.3.4- Análise do teor de Sb
As análises do teor de Sb foram feitas nas fases de elaboração do aço na Aciaria e após recozimento final através do equipamento espectrômetro de emissão ótica termo ARL modelo 4460 com o intuito de verificar o teor de Sb no início e fim do processamento dos aços.
4.3.5- Análise dos dados
Foram feitas correlações e análises estatísticas das propriedades magnéticas com o teor de Sb, temperatura de laminação a quente, grau de deformação a frio, textura e tamanho de grão em cada fase do processo. Para avaliar a influência do Sb foram feitas análises após recozimento parcial em várias temperaturas buscando caracterizar e explicar os resultados obtidos através da evolução do tamanho de grão e das principais fibras e componentes de texturas cristalográficas, fixando a temperatura de laminação a quente e grau de deformação a frio.
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