Principais características do processamento de tiras metálicas diretamente do estado líquido

A obtenção de tiras metálicas por métodos não convencionais tem como objetivo competir: 1. com o lingotamento contínuo - cuja taxa de resfriamento varia aproximadamente de 0,5 a 3°C/s (GARCIA; SANTOS; CHEUNG, 2006); 2. com os laminadores trens (laminação contínua) os quais representam 90% dos produtos conformados mecanicamente, (KALPAKJIAN, 1997).

Em geral, a placa fundida no lingotamento contínuo tipicamente requer oito cadeias de laminação para a redução a quente de placas de 150 mm a 200 mm de espessura para obter um produto com espessura de 3 a 5 mm, vide Figura 3.16. Este processo requer uma

quantidade de energia gasto razoável, rigidez da gaiola do laminador, espaço físico e manutenção periódica dos equipamentos.

As vantagens de obtenção de tiras por diferentes rotas a partir do metal fundido, solidificação rápida, podem ser listada: 1. granulação fina devido a alta taxa de resfriamento; 2. pequena força de separação entre os cilindros devido a tensão de escoamento do semi- sólido ser menor do que a do metal sólido; 3. economia de espaço; 4. baixo custo de equipamento; 5. redução de insumos energéticos; e 6 taxa de resfriamentos bem mais elevadas (1500-2000°C/s) (HAGA et al., 2004a, CRAMB; ROLLET, 2001).

Neste contexto, Garcia, (2001) cita que: “A fabricação de fios ou tiras metálicas diretamente do estado líquido já é uma realidade industrial, tanto na forma de estruturas amorfas quanto na forma cristalina, e seriam de difícil produção convencional em função das limitações de plasticidade de alguns materiais”.

Industrialmente a obtenção de tiras metálicas não ferrosas (liga de Al 1XXX, 3XXX, 5XXX e 8XXX) a partir do estado líquido já é uma realidade (MENET et al., 2001), vide Figura 3.15. Menet et al. (2001) citam que no Brasil a CBA (Companhia Brasileira de Alumínio) opera com duas instalações de escala industrial JUMBO 3CM® (Fundição Contínua entre Cilindros) que foram entregues em julho de 2001. A instalação da CBA é capaz de produzir tiras fundidas de alumínio com as características apresentadas na Tabela 3.4.

Tabela 3.4. Características Dimensionais e Peso das Bobinas Caster (http://www.cia- brasileira-aluminio.com.br/).

Massa por mm de largura (kg) 6,66

Espessura (mm) 3,0 a 9,0 ± 3%

Diâmetro interno com núcleo vazio (mm) 600 Diâmetro externo máximo (mm) 2000

Largura sem refile lateral 750 a 2100 ± 0,5%

Ligas de alumínio já em produção 1XXX, 3XXX, 5XXX, 8XXX

A CBA (Companhia Brasileira de Alumínio) atualmente é uma empresa integrante do Grupo Votorantim, e está presente no país por meio de 13 filiais, 18 usinas hidrelétricas, duas unidades de mineração, fábrica, escritório central e escritório de vendas, localizado em

Fortaleza, CE. A empresa atua na exploração e aproveitamento de jazidas de bauxita no território nacional, produzindo e comercializando, no país e no exterior, alumínio primário e transformado, possuindo uma ampla linha de produtos, tais como lingotes, tarugos, vergalhões, chapas, bobinas, telhas, folhas, extrudados, fios e cabos (http://www.cia- brasileira-aluminio.com.br/).

Em 3 de maio de 2002 a Castrip LCC nos EUA recebeu a primeira instalação em escala comercial no mundo para a produção de chapas fundidas de aço carbono, na sua unidade em Indiana (Nucor Crawfordsville). A segunda instalação comercial será entregue em 2008 na sua unidade em Arizona (Blytheville). A unidade de Crawfordsville produz chapas de aço com espessura entre 0,85 a 1,5 mm, destinada a maioria das aplicações comerciais, que substitui as chapas de aço laminadas a frio ou a quente. A Figura 3.17 mostra o desempenho comercial da Castrip LCC. Como se pode observar, em janeiro de 2007, a produção cumulativa chega a alcançar valores próximos a 450.000 tons (SHUEREN et al., 2007).

Ao que tudo indica o domínio da tecnologia para obtenção de tiras a partir das ligas metálicas no estado líquido (strip casting) é muito promissora, pois brevemente deve substituir, com vantagens, os processos convencionais de fabricação de tiras metálicas (CRAMB; ROLLET, 2001).

Figura 3.17. Produção industrial cumulativa da Nucor CASTRIP a partir de 2003 (SHUEREN et al., 2007).

Por outro lado, algumas desvantagens podem ser listadas: 1. possível agarramento da tira nos cilindros; 2. limitações das ligas metálicas que podem ser processadas; e 3. as velocidades dos cilindros dependem estritamente da taxa de resfriamento (HAGA; SUZUKI, 2003a).

A Figura 3.18 mostra as duas configurações básicas em (a) e (b), e outras possibilidades de produção de tiras diretamente do fundido de (c) a (h). Segundo Haga e Suzuki (2003c) para ligas de alumínio o esquema apresentado nas Figuras 3.18 (c) e (d) apresenta melhor produtividade, devido ao maior contato térmico da tira sendo processada nos cilindros.

No processo por cilindros duplos (twin roll) por pressão hidrostática indicada na Figura 3.18 (e) o aumento do nível do fundido faz aumentar a pressão hidrostática e imediatamente o contato entre o fundido e o cilindro. Este contato favorece o coeficiente de transferência de calor e a taxa de resfriamento. Neste método é possível aumentar a velocidade de laminação para ligas de alumínio com alto intervalo de solidificação (HAGA; SUZUKI, 2003).

A Figura 3.18 (f) mostra o projeto desenvolvido por Haga et al. (2007) para a produção de materiais compósitos por aplicação direta do reforço em uma única etapa. O processo por cilindros únicos (single roll caster) na Figura 3.18 (g) é utilizado geralmente para a fabricação de tiras de aço. A espessura da tira é afetada pelas propriedades térmicas do metal e a condição de resfriamento do cilindro (SHIBUYA; OZAWA, 1991, LI; THOMAS, 1996).

O esquema da Figura 3.18 (h) mostra a adaptação de um cinto ao processo de cilindros duplos (twin roll). Esse método é utilizado para diminuir a transferência de calor do cilindro de solidificação (S-surface) evitando com que a face de conformação (F-surface) se forme. Assim, a solidificação do metal ocorre imediatamente no contato com o cilindro de conformação, o que provoca uma menor força de separação entre os cilindros (HAGA, 2001a).

(a) (b)

Processamento por cilindros duplos horizontal (tipo

convencional) (HAGA; SUZUKI, 2003c) Processamento por cilindros duplos verticais (tipo convencional) (HAGA; SUZUKI, 2003c)

(c) (d)

Processamento por arraste do fundido nos cilindros

duplos (HAGA; SUZUKI, 2003c) Processamento por injeção do fundido nos cilindros duplos (HAGA; SUZUKI, 2003c)

(e) (f)

Processamento por pressão hidrostática nos cilindros

duplos (HAGA; SUZUKI, 2003a) matriz compósido (HAGA; TAKAHASHI, 2004c) Processamento por arraste do fundido para tiras de

(g) (h)

Processamento por cilindro único (SHIBUYA; OZAWA, 1991, LI; THOMAS, 1996)

Processamento por arraste do fundido nos cilindros inferiores cintados (HAGA, 2001a)

Figura 3.18. Processo convencional de fabricação de tiras e outros exemplos para a fabricação de tiras diretamente do estado líquido.

Basicamente podem ser listados seis tipos de processos aplicados para a obtenção de tiras metálicas através da solidificação não convencional, citados por Li e Thomas, (1996): 1 cilindro único (Single roll); 2 laminador duo (Two-right mill); 3 laminador duo com correia metálica cintada no cilindro inferior (Single belt); 4 correias metálicas conjugadas (Twin belt); 5 roda cintada (Wheel-belt); e 6 deposição por spray (Spray deposition). O processo 5 é denominado de “Hazellet”, (Figura 3.14).

Praticamente apenas três rotas têm potencial para aplicação industrial: 1. cilindro de solidificação; 2. dois cilindros na posição horizontal, isto é, a casca metálica formada no cilindro inferior arrasta o material no estado semi-sólido para ser conformado pelo cilindro

superior; 3. dois cilindros de solidificação na posição vertical (o metal é mantido pela ajuda de barreiras laterais), (CHANG, 1999).