PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
Carlos Wagner Silva de Souza
A INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE MICROLIGA DE NIÓBIO NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE AÇOS PROCESSADOS NO LAMINADOR DE CHAPAS GROSSAS.
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA
Carlos Wagner Silva de Souza
A INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE MICROLIGA DE NIÓBIO NAS PROPRIEDADES MECÂNICAS DE AÇOS PROCESSADOS NO LAMINADOR DE CHAPAS GROSSAS.
Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado da Universidade Federal de São João del-Rei como requisito para a obtenção do título de Mestre em Engenharia Mecânica
Área de Concentração: Materiais e Processos de Fabricação Orientador: Prof. Dr. Kurt Strecker
Dedico este trabalho a Deus, minha querida esposa Karla, meu filho Luan Vitor e aos meus pais.
AGRADECIMENTOS
Agradeço à vida pelas oportunidades desta jornada fascinante comandada pelo todo poderoso Deus. A minha família que me regam de amor e confiança, sempre me renovando, me faz acreditar nos meus propósitos. O pequeno Luan que no seu olhar sincero me faz sentir um pai “super-herói” e me faz sair da zona de conforto. A Karla, minha esposa dedicada, pela confiança, amor e doçura.
Ao meu pai, pela energia vibrante. Minha mãe pelo carinho e generosidade. O meu irmão pelo carinho e respeito, minhas sobrinhas lindas pelo amor gratuito e genuíno.
Ao professor Dr. Kurt Strecker pela orientação, apoio e incentivo.
Ao professor Dr. Lincoln Cardoso Brandão, pela orientação inspiração e generosidade.
Ao professor Dr. Antônio Sabariz, por me motivar desde a graduação em continuar o meu aprendizado.
A Universidade Federal de São João del-Rei - UFSJ, prezo por esta instituição que faz parte da minha história acadêmica. A Claudete do Carmo e Silva, da secretaria, por toda atenção. A todos os colegas do Mestrado, professores e funcionários do Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de São João del-Rei - UFSJ.
Ao Msc. Ricardo Faria por me apoiar durante a pesquisa compartilhando os seus conhecimentos de metalurgia.
Aos amigos Edvaldo Toledo, José Herbert e Sérgio Leal pela liderança inspiradora e apoio.
Aos meus colegas de trabalho pelo incondicional apoio e inspiração, sempre dispuseram o apoio necessário e depositaram grande confiança em mim.
Souza, C. W. S., A influência da adição de microliga de nióbio nas propriedades mecânicas de aços processados no laminador de chapas grossas. Dissertação (Mestrado) – Universidade Federal de São João del-Rei, São João del Rei, 2018
RESUMO
As microligas são elementos químicos adicionados em quantidades muito pequenas na composição química para produção de aços modernos de alta resistência e baixa liga (ARBL), combinados com o processo da laminação termomecânica. O resultante benefício metalúrgico é o refino de grãos que concomitantemente agem no aumento a resistência mecânica e no aumento da tenacidade do aço.
Na laminação termomecânica do aço com adição de nióbio, as propriedades mecânicas do material podem ser notoriamente superiores quando comparadas com aços carbono comum laminados sem controle de temperatura entre os passes de redução de espessura.
Neste contexto, o objetivo deste trabalho é estudar a influência do nióbio no aço processado por laminação termomecânica para a obtenção de microestrutura com grão refinados e avaliar o comportamento resultante das propriedades mecânicas obtidas através de análises de micrografia e ensaios mecânicos de laboratório.
Foram definidas para o estudo, especificações de aço conforme Normas ASTM que não requerem o resfriamento acelerado, ou seja, o resfriamento ao ar livre. Visando possibilitar o entendimento e a diferenciação do um aço microligado com nióbio de um aço carbono comum (sem a microliga), como também o entendimento do conceito da laminação termomecânica.
Foram selecionados dois tipos de aço para análise de propriedades mecânicas comparativa de resposta considerando duas condições de laminação. Os aços aplicados neste estudo foram o microligado ao nióbio, equivalente ao ASTM-A572Gr501 (A572/A572M – 15) Classe 1, e o aço carbono comum equivalente ao ASTM-A36 (A36/A36M – 14).
Foi verificado, através de ensaios mecânicos, maior resistência mecânica e maior tenacidade no aço microligado do estudo. As propriedades mecânicas foram notoriamente melhoradas devido ao refino de grão em função da adição da microliga de nióbio combinado com o processo de laminação controlada.
Souza, C. W. S., The effect of niobium in the mechanical properties of TMCP steels processed in plate mill rolling plant. Thesis (Master degree) – Federal University of São João del-Rei, São João del Rei, 2018.
ABSTRACT
Microalloys are chemical elements added in very small amounts in the chemical composition for the production of high strength low alloy steels (HSLA) combined with the thermo-mechanical rolling process. The metallurgical benefit resulting in grains refined to increase the mechanical strength and toughness as well.
In the processing of steel with niobium addition, processed through thermomechanical rolling, the mechanical properties of the material may be significantly higher comparing to mechanically processed carbon steels by conventional rolling without temperature controlling between reduction passes.
In this context, the work aims to study the influence of the niobium on the processed steel by thermomechanical rolling to obtain microstructure with refined grain and check the behavior results of mechanical properties achieved through micrograph analysis and mechanical laboratory tests.
For this study, steel specifications were defined according to ASTM Standards that does not require accelerated cooling, it means, natural cooling. Aiming to be able to understand steels with niobium to a common carbon steel without niobium, as well as the effect of thermomechanical rolling.
Two types of steels selected for analysis of mechanical properties comparing the response considering two rolling conditions. The steels applied in this study were steel with niobium, according to ASTM-A572Gr501 (A572 / A572M-15) Class 1, and the common carbon steel according to ASTM-A36 (A36 / A36M-14).
Afterwards, through mechanical tests, greater mechanical strength and higher tenacity are achieved with the steel with niobium. The mechanical properties have improved due to grain refined through the addition of the niobium in the chemical composition, combined with the controlled rolling process.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Fases da transformação da austenita na laminação controlada. Fonte: (KOZASU, 1992) ... 25 Figura 2. Comportamento da microestrutura durante o processo de laminação termomecânica. Fonte: (NIPPON STEEL e SUMITOMO STEEL, 2017). Adaptado. ... 26 Figura 3. Layout de uma instalação de planta de laminação de chapas grossas com resfriamento
acelerado e tratamento térmico on line na JFE – West Japan Works (Fukuyama, Japão). Fonte: (ENDO SHIGERU, NAKATA NAOKI, 2015). Adaptado. ... 28 Figura 4. Layout de Laminação de Chapas Grossas na East Japan Works e novo processo de controle de laminação através o Super-CR - alta taxa de resfriamento (Fukuyama, Japão). Fonte: (ENDO SHIGERU, NAKATA NAOKI, 2015). Adaptado. ... 28 Figura 5. Conceito do processo TMCP. Exemplo 1. Fonte: (TURANI, 2010) ... 29 Figura 6. Conceito do processo TMCP. Exemplo 2. Fonte: (TURANI, 2010) ... 30 Figura 7. Tamanho de grão ferrítico obtido a partir de valores variados de Sv em austenita recristalizada e austenita deformada. Fonte:(DEARDO, 2001) ... 33 Figura 8. Solubilidade do nióbio em função do teor de carbono. Fonte: ... 34 Figura 9. Efeito da adição de nióbio em comparação aos outros principais microligantes na Tnr. ... 35 Figura 10. Efeito da temperatura e da concentração de nióbio em solução na mobilidade do contorno de grão da austenita. Fonte:(SUBRAMANIAN, 2006) ... 36 Figura 11. Relação da taxa de resfriamento da temperatura da zona de transformação e estruturas metalográficas e também nível de resistência mecânica. Fonte: (NIPPON STEEL e SUMITOMO STEEL, 2017). Adaptado. ... 38 Figura 12. Fluxo básico processos para a obtenção da placa. ... 39 Figura 13.Fluxo básico do processo reaquecimento, laminação e resfriamento controlado. Fonte:
(NIPPON STEEL e SUMITOMO STEEL, 2017). Adaptado. ... 39 Figura 14. Fluxo básico do processo resfriamento ao ar e corte de chapa. Fonte: (NIPPON STEEL e SUMITOMO STEEL, 2017). Adaptado. ... 40 Figura 15.Pátio de placas. Fonte: (Autoria própria). ... 40 Figura 16. Desenfornamento da placa reaquecida na temperatura de laminação. Fonte: (Autoria
própria). ... 41 Figura 17. Descarepador primário. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010) ... 43 Figura 18. Padrão típico para configuração do spray para descarepação. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO
TÉCNICA GERDAU, 2010) ... 43 Figura 19. Laminador de chapas grossas. Fonte: (Autoria própria)... 44 Figura 20. Laminador de chapas grossas em operação. Fonte: (Autoria própria). ... 45
Figura 25. Desempenadeira a quente, vista lateral dos rolos de desempenos superiores e inferiores.
Fonte:(ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010). ... 50
Figura 26. Desempenadeira a quente - Arranjo de acionamento. ... 51
Figura 27. Vista frontal da tesoura lateral. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010). ... 52
Figura 28. Modelo 3D do mecanismo de corte da tesoura lateral. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010). ... 53
Figura 29. Tesoura divisora modelo 3D. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010). ... 53
Figura 30. Fluxograma do procedimento experimental. Fonte: (Autoria própria). ... 55
Figura 31.Dimensão corpo de prova de tração. (Fonte: ASTM A370). ... 60
Figura 32. Fotografia de um ensaio de tração. Fonte: (Autoria própria). ... 61
Figura 33. Dimensão corpo de prova para ensaio Charpy. (Fonte: ASTM A370). ... 62
Figura 34. Fotografias de um Ensaio de Charpy. (a) - Máquina de ensaio; (b) - CP’s na temperatura de 20°C; (c) - CP’s na temperatura de 0ºC. (Fonte: Autoria própria) ... 63
Figura 35. Exemplo da impressão para medida de dureza em um dos aços analisados. Fonte: (Autoria própria). ... 63
Figura 36. Micrografia com aumento de 100X Longitudinal. ASTM A36 - Amostra 28096422005, ASTM A572 - Amostra 27096134003. Ataque com Nital 2%. (Fonte: Autoria própria) ... 67
Figura 37. Micrografia com aumento de 100X Transversal. ASTM A36 - Amostra 28096422005, ASTM A572 - Amostra 27096134003. Ataque com Nital 2%. (Fonte: Autoria própria) ... 68
Figura 38. Micrografia com aumento de 500X Transversal. ASTM A36 - Amostra 28096422005, ASTM A572 - Amostra 27096134003. Ataque com Nital 2%. (Fonte: Autoria própria) ... 68
Figura 39. Micrografia com aumento de 500X. Amostra transversal (esq.) e amostra longitudinal (dir.). ASTM A36 - Amostra 28096422005. Ataque com Nital 2%. (Fonte: Autoria própria) ... 69
Figura 40. Micrografia com aumento de 500X. Amostra transversal (esq.) e amostra longitudinal (dir.) ASTM A36 - Amostra 27095587003. Ataque com Nital 2%. (Fonte: Autoria própria) ... 69
Figura 41. Micrografia com aumento de 500X. Amostra transversal (esq.) e amostra longitudinal (dir.) ASTM A36 - Amostra 27095587002. Ataque com Nital 2%. (Fonte: Autoria própria) ... 69
Figura 42. Micrografia com aumento de 500X. Amostra transversal (esq.) e amostra longitudinal (dir.) ASTM A572 - Amostra 27096134001. Ataque com Nital 2%. (Fonte: Autoria própria) ... 70
Figura 43. Micrografia com aumento de 500X. Amostra transversal (esq.) e amostra longitudinal (dir.) ASTM A572 - Amostra 27096140002. Ataque com Nital 2%. (Fonte: Autoria própria) ... 70
Figura 44. Micrografia com aumento de 500X. Amostra transversal (esq.) e amostra longitudinal (dir.) ASTM A572 - Amostra 27096134003. Ataque com Nital 2%. (Fonte: Autoria própria) ... 70
Figura 45. Resultados gráficos da análise de variância (ANOVA) para ensaio de tração, analisando o Limite de Escoamento. (a) Box Plot; (b) Intervalo de confiança; (c) Teste de Tukey; (d) Análise de resíduos. Fonte: (Autoria própria). ... 73
Figura 46. Resultados gráficos da análise de variância (ANOVA) para ensaio de tração, analisando o Limite de Ruptura. (a) Box Plot; (b) Intervalo de confiança; (c) Teste de Tukey; (d) Analise de resíduos. Fonte: (Autoria própria). ... 74
Figura 47. Resultados gráficos da análise de variância (ANOVA) para ensaio de dureza HV 10 kg. (a) Box Plot; (b) Intervalo de confiança; (c) Teste de Tukey; (d) Analise de resíduos. Fonte: (Autoria própria). ... 75
Figura 48. Resultados gráficos da análise de variância (ANOVA) para ensaio Charpy à 0ºC. (a) Box Plot; (b) Intervalo de confiança; (c) Teste de Tukey; (d) Analise de resíduos. Fonte: (Autoria própria). ... 77 Figura 49. Resultados gráficos da análise de variância (ANOVA) para ensaio Charpy à 20ºC. (a) Box Plot; (b) Intervalo de confiança; (c) Teste de Tukey; (d) Analise de resíduos. Fonte: (Autoria própria). ... 78
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Composição química típica, peso% de 50mm de chapa de alta resistência. Fonte: (HULKA e
GRAY, 2001). Adaptado... 31
Tabela 2 - Características do Descarepador Primário. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010) 43 Tabela 3 - Características técnicas do Laminador. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010). ... 44
Tabela 4 - Características da Pré Desempenadeira. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010). .. 47
Tabela 5 - Características do resfriamento acelerado. ... 49
Tabela 6 - Características da Desempenadeira a Quente. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010). ... 51
Tabela 7 - Características técnicas da Tesoura Lateral. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010). ... 52
Tabela 8 - Características técnicas da tesoura divisora. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010). ... 54
Tabela 9 - Composição Química da Placa (% em peso). ... 56
Tabela 10 - Temperaturas críticas de laminação. Fonte: (Autoria própria). ... 58
Tabela 11 - Plano de corpos de provas para experimento. Fonte:(Autoria própria). ... 59
Tabela 12 - Dimensões e tolerâncias do CP para ensaio de Charpy. Fonte:(ASTM A370). ... 62
Tabela 13 - Resultado TGF – Método intercepto ASTME112 ... 66
Tabela 14 - Dados dos experimentos de ensaio de tração. Fonte: (Autoria própria). ... 71
Tabela 15 - Dados dos experimentos de ensaios de dureza transversal. Fonte: (Autoria própria). ... 74
Tabela 16 - Dados dos experimentos de ensaios Charpy Longitudinal. Fonte: (Autoria própria)... 76
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS Siglas
ABNT= Associação Brasileira de Normas Técnicas ACC= Accelereted cooling (resfriamento acelerado)
ANSI = American National Standards Institute (Instituto Americano de Padrões) API = American Petroleum Institute (Instituto de Petroleo Americano)
Ar1: Temperatura de término de decomposição da austenita durante resfriamento Ar3: Temperatura de início de decomposição da austenita durante resfriamento ARBL (HSLA): Aço de alta resistência e baixa liga (High strengh low alloy)
ASTM: American Society for Testing and Materials (Sociedade americana para testes e materiais) °C: Grau Celsius
Ceq: Carbono equivalente CP: Corpo de prova
DIN = Deutches Institut für normung (Instituto Alemão de Normalização) DQ= Direct quenching (têmpera direta)
EN = European Norm (Norma Européia)
HTP = High temperature processing (processamento de laminação a alta temperatura)
ISO = International Organization for Standardization (Organização Internacional para Padronização) LE: Limite de escoamento
LR: Limite de resistência máxima MO: Microscopia ótica
mm: Milímetro MPa: Mega Pascal
T: Temperatura
TMCP – Termo-mechanical control process (Laminação termomecânica) Tnr: Temperatura de não recristalização da austenita
TTT: Tempo, Temperatura, Transformação
Letras gregas σ = Tensão [N/m²] σR= Limite de resistência [N/m²] μm: Microns Lista de símbolos Ø = diâmetro
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 22
1.1. Estrutura do trabalho ... 23
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 24
2.1. Aços de alta resistência e baixa liga (ARBL) ... 24
2.2. A atuação dos elementos microligantes ... 32
2.3. O papel do nióbio nos aços microligados... 33
2.4. TMCP – The Thermo-Mechanical Rolling Process ... 37
2.5. Descrição do processo de laminação de Chapas Grossas ... 38
2.5.1. Estocagem e reaquecimento de placas ... 40
2.5.2. Descarepação primária ... 42
2.5.3. Laminador Quádruo Reversível ... 43
2.5.4. Pré-desempenadeira ... 47
2.5.5. Resfriamento Acelerado ... 48
2.5.6. Desempenadeira a quente ... 50
2.5.7. Leito de Resfriamento ... 51
2.5.8. Linha de Corte de Chapas ... 52
2.5.9. Estocagem e expedição de produtos ... 54
3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 55
3.1. Seleção e laminação dos aços ... 56
3.2. Processo de Reaquecimento da Placa ... 56
3.3. Laminação de Acabamento e de Desbaste ... 57
3.5.3. Teste de Impacto Charpy ... 61
3.5.4. Teste de Dureza HV10 com carga de 10 kg ... 63
3.5.5. Análise estatístico dos dados obtidos dos ensaios. Teste de hipótese para validação dos resultados. ... 64
3.5.6. Análise metalográfica do material ... 64
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 66
4.1 Caracterização metalográfica ... 66
4.2 Ensaios mecânicos ... 71
4.2.1 Ensaios de tração ... 71
4.2.2 Ensaios de Dureza Transversal ... 74
4.2.3 Ensaios de Charpy ... 76
4.2.4 Análise de Fratura ... 78
6. PROPOSTAS TRABALHOS FUTUROS ... 81
7. REFERÊNCIAS ... 82
ASTM Standard E112, Standard Test Methods for Determining Average Grain Size. American Society for Testing and Materials, 2013. ... 82
CAPÍTULO 1
1. INTRODUÇÃO
A necessidade de utilização de aços ARBL (alta resistência e baixa liga) se torna cada vez mais necessária pois são aços de maior resistência mecânica e, ao mesmo tempo, de elevada tenacidade.
Outros benefícios como, menor peso relativo requerido em projetos devido a elevada resistência, pode propiciar a viabilidade econômica dos projetos, uma vez que o transporte, beneficiamento, montagem e instalação podem ser otimizados.
Todas estas características podem permitir uma grande economia em projetos de grande porte e um melhor retorno de investimento, que além de utilizar menor peso relativo de aço. Outro fator relevante é a aplicabilidade dos aços microligados no qual podem atender uma maior gama de aplicações, tornam-se muito atraente para a siderurgia no que tange as estratégias de mercado.
Este tema é muito debatido e estudado profundamente pelos metalurgistas, sendo crucial para as indústrias siderúrgicas mundiais, que através de investimentos em pesquisas e desenvolvimento de novos processos de laminação, se consolidam no mercado e à frente no desenvolvimento de novos produtos para aplicações cada vez mais exigentes.
Dentre as produtoras de aço, temos em destaque no mercado brasileiro o grupo USIMINAS, que produz aços planos desde a década de 70, em 2010 investiu na atualização tecnológica (maior nível de automatização) no processo de laminação para o desenvolvimento de novos aços ARBL na sua linha de chapas grossas. Outro exemplo, o grupo GERDAU, com o maior investimento de sua história, inaugurou duas novas plantas de laminação de produtos planos, a laminação de tiras a quente tipo Steckel (para produção de chapas em bobinas) e a laminação de chapas grossas (para produção de chapas planas) entrando no mercado de aços planos por questões de competitividade e estratégia de mercado.
O aço é a liga metálica mais utilizada no mundo e existem diversas especificações e normas para diversas aplicações. Este trabalho aborda temas relevantes do processo de laminação do aço e conceitos importantes para a compreensão de alguns mecanismos importantes para a melhoria de propriedades mecânicas do aço.
1.1. Estrutura do trabalho
Este trabalho está dividido em seis capítulos, apresentados conforme a descrição abaixo:
Capítulo 1 – Introdução: contextualização sobre o tema estudado com informações sobre os objetivos e a estrutura do trabalho.
Capítulo 2 – Revisão de Literatura: informações técnicas e características dos aços, definição do processo de laminação termomecânica controlada, atuação e efeitos da microliga de nióbio, apresentação do processo de laminação.
Capítulo 3 – Materiais e Métodos: apresenta o procedimento experimental, destacando o material empregado, equipamentos utilizados, o planejamento experimental e a metodologia para execução dos experimentos.
Capítulo 4 – Resultados e Discussões: apresenta a análise das amostradas, discussões dos resultados obtidos nas propriedades mecânicas e a análise da microestrutura.
Capítulo 5 – Conclusão: analisa os resultados encontrados para os aços em estudo
Capítulo 6 – Propostas para trabalhos futuros: apresenta algumas sugestões para futuros trabalhos baseados nas dúvidas e resultados obtidos neste trabalho.
CAPÍTULO 2
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Aços de alta resistência e baixa liga (ARBL)
Os aços microligados são aços que exigem pesquisas constantes, a indústria siderúrgica mantém investimentos em equipes de desenvolvimento de novas soluções em aços para atendimento as demandas de mercado, propriedades como alta tenacidade, elevada dureza e soldabilidade, são atributos básicos para o desenvolvimento continuado de novas especificações de aços.
A adição de microliga, associada à laminação termomecânica, tem a principal função de promover o refino de grãos da microestrutura do aço de forma a se obter resistência mecânica e tenacidade melhoradas no produto laminado a quente. De acordo com ANIJDANA (2012), o aumento da resistência é obtido através da combinação de adição de microligas e do adequado plano de laminação termomecânica. Para garantir as especificações de resistência mecânica e de tenacidade, necessidade de condições críticas de soldagem em campo, as composições químicas dos aços nas chapas laminadas a quente devem objetivar em uma microestrutura com grãos ferríticos muito finos e baixo valor de carbono equivalente, reduzindo a suscetibilidade à ocorrência de trincas a frio nas juntas soldadas.
Os microligantes têm grande afinidade com o carbono e o nitrogênio, formando nitretos, carbonetos e carbonitretos que precipitados na matriz durante a laminação interferem na microestrutura do aço. Os precipitados agem de forma a impedir a movimentação das frentes de recristalização e consequentemente inibindo a formação de novos grãos e seu crescimento após os passes de laminação. A temperatura na qual a inibição de recristalização ocorre é denominada Temperatura de Não Recristalização (Tnr). Os cálculos de solubilidade mostram que o nióbio irá precipitar como NbC e NbN a temperaturas usuais de laminação, geralmente entre 800 e 1100ºC, na faixa normal de temperatura de deformação total para laminação a quente. De acordo com HOMSHER (2013), o nióbio tanto em solução sólida como finamente precipitado em Nb(C, N), contribuem para o aumento da propriedade mecânica do aço. O nióbio em solução sólida é eficaz em retardar a recristalização estática durante a laminação.
A deformação sucessiva do grão austenítico a temperaturas abaixo da Tnr promove um “panquecamento” do grão, conforme mostrado na figura 1. O “achatamento” destes grãos resulta em uma área de contorno de grão muito maior relativamente, disponibilizando uma maior quantidade de sítios para nucleação de grãos ferríticos e com alto refinamento, HOMSHER (2013).
Figura 1. Fases da transformação da austenita na laminação controlada. Fonte: (KOZASU, 1992)
O uso de laminação termomecânica é fundamental para que os aços ARBL venham a apresentar as características desejadas de resistência mecânica e tenacidade. Como se sabe, esse processo termomecânico é iniciado pelo reaquecimento das placas sob alta temperatura, geralmente acima de 1200ºC para permitir plena solubilização dos carbonitretos de nióbio. Após a placa ser desenfornada a mesma é transportada até o laminador para iniciar a conformação mecânica a alta temperatura por processo de laminação, onde ocorre recristalização plena da austenita. Após o material em laminação (denominado de esboço) alcançar uma determinada espessura, a laminação se interrompe, seguindo-se um tempo de espera até que o material atinja a temperatura onde a austenita não mais se recristalizará entre passes. Dá-se, então, a etapa final de deformação, onde a ausência de recristalização na austenita provocará o "panquecamento" de seus grãos e, dessa forma, um intensificado refino de grão, o qual eleva simultaneamente a resistência mecânica e tenacidade do material conforme mostra a figura 2.
Figura 2. Comportamento da microestrutura durante o processo de laminação termomecânica. Fonte: (NIPPON STEEL e SUMITOMO STEEL, 2017). Adaptado.
A concepção de liga de aço com pequena quantidade de nióbio pode permitir a redução do valor do carbono equivalente em função do maior refino de grão, menor adição de carbono necessária para alcançar elevada resistência mecânica planejada. Como consequência, melhores resultados são alcançados na tenacidade. O processamento termomecânico dos aços com nióbio necessita ser bem compreendido para permitir o melhor aproveitamento do potencial que a liga apresenta para o alcance de uma microestrutura adequada à obtenção de elevada resistência mecânica combinada com excelente tenacidade.
Alguns fatores devem ser considerados para a obtenção das propriedades mecânicas desejadas: - Controle no reaquecimento da placa para o início da laminação;
- Controle das temperaturas de início e de término da laminação de acabamento; - A quantidade de deformação aplicada nas fases de desbaste e acabamento; - A velocidade com que a austenita é transformada em ferrita.
Para que seja alcançado o refino de grão adequado, a liga do aço e o processo devem ser cuidadosamente definidos. Alguns parâmetros importantes para o sucesso da laminação termomecânica são:
Boas práticas na produção das placas durante o processo de aciaria e lingotamento quanto à pureza do aço:
- Redução do volume de fração da perlita pela adição de menos carbono – o baixo carbono e maior pureza do aço têm efeito positivo na soldabilidade.
- Desgaseificação a vácuo durante a refino secundário do aço para abaixar os teores residuais de fósforo, nitrogênio, hidrogênio e oxigênio.
- Tratamento – cálcio para modificar quaisquer inclusões de sulfeto tornando-os mais globulares. - “Soft reduction” para contrair cavidades e minimizar macrosegregação durante o lingotamento contínuo
- Produção de placas com máxima espessura para aumentar a redução aplicada durante laminação.
Temperatura de reaquecimento adequada para promoção da solubilização dos microligantes, tipicamente entre 1150-1250ºC
Laminação termomecânica (temperatura de laminação controlada)
Resfriamento – tanto ao ar livre ou acelerado controlado da linha de resfriamento on-line, até a temperatura de resfriamento final definida. A temperatura ao final do resfriamento acelerado deve ser baixa o bastante para formação de microestruturas favoráveis.
Importante afirmar que quanto melhor o controle no processo de laminação termomecânica, maior o entendimento das influências de cada variável do processo como temperatura de cada passe, tempo de entre passes, redução de espessura de cada passe, controle de dimensão (controle de forma e planicidade).
Para um mesmo objetivo de propriedades mecânicas de um aço microligado, há diferentes formas de se obter, seja no aumento da adição de microligantes ou na melhoria do processo de laminação ou na taxa de resfriamento controlado. As laminações modernas, como no caso do laminador de chapas grossas, por suas características particulares incluem equipamentos para resfriamento acelerado “on-line”, apresentam grandes vantagens que justificam o processamento de materiais especiais com custo competitivo. A figuras 3 e 4 apresentam um layout do processo de laminação de chapas grossas, a definição do layout e a tecnologia embarcada nos equipamentos também são fundamentais para viabilizar o desenvolvimento de novas especificações de aço.
Figura 3. Layout de uma instalação de planta de laminação de chapas grossas com resfriamento acelerado e tratamento térmico on line na JFE – West Japan Works (Fukuyama, Japão). Fonte: (ENDO SHIGERU,
NAKATA NAOKI, 2015). Adaptado.
Figura 4. Layout de Laminação de Chapas Grossas na East Japan Works e novo processo de controle de laminação através o Super-CR - alta taxa de resfriamento (Fukuyama, Japão). Fonte: (ENDO SHIGERU,
Atualmente as gerações modernas de aços de alta resistência estão crescentemente utilizando o baixo carbono nas rotas TMCP para alcançar alta resistência mecânica, melhor tenacidade e melhor soldabilidade. Adicionalmente, os recentes desenvolvimentos e melhorias em tecnologia de laminação de chapas grossas eliminam procedimentos de tratamento térmico adicional posterior: normalização, têmpera e revenimento (PORTER, 2006).
A composição química do aço é um fator importante para o alcance de tais propriedades, porém, aliada ao controle do processo de laminação termomecânica e resfriamento controlado.
Os aços de alta resistência mecânica e baixo teor de carbono, ainda que sejam constituídos, predominantemente por ferrita, podem exibir outros constituintes como bainita, martensita ou austenita retida, como um resultado das condições de fabricação do aço, ou de seus requisitos de fabricação e aplicação final. A combinação da composição química da liga com as condições de seu processamento termomecânico produzirá quantidades distintas dos constituintes mencionados, determinando que as várias características desejadas em importantes projetos de dutos: resistência mecânica, tenacidade, ductilidade e soldabilidade (STALHEIM, 2006). Nas figuras 5 e 6 apresentamos um esquema conceitual do processo TMCP, percebe-se e como se dá o controle de tempo, temperatura e transformação do aço. As microligas determinam a temperatura de não recristalização (Tnr), como também a posição das curvas de transformação, onde diferentes ligas de aço apresentam diferentes curvas TTT.
Figura 6. Conceito do processo TMCP. Exemplo 2. Fonte: (TURANI, 2010)
O cliente consumidor especifica as propriedades mecânicas do aço que ele necessita e envia a consulta para as siderúrgicas, que desenvolvem as receitas para a produção e efetuam testes nas suas plantas de laminação. Os novos aços são certificados por um órgão autônomo para a garantia de atendimento respeitando-se as normas aplicáveis e controle de qualidade. Uma receita de processo consolidada em uma planta de produção não garante o mesmo resultado em outra planta, devido às infinitas variáveis de processo não controladas e diferentes layouts que interferem diretamente nestas variáveis, no entanto o desenvolvimento é atraente, pois as margens de lucros para estes aços são maiores. Neste mercado, torna-se estorna-sencial o investimento em pesquisa e detorna-senvolvimento constante de novos aços ARBL.
A tabela 1 apresenta a composição química típica para uma chapa de 50mm, tanto para tratamento térmico ou laminação termomecânica, com carbono equivalente indicando as condições necessárias para soldagem. É possível ver na tabela, além do TMCP outra possível solução para uma produção econômica é a aplicação do conceito HTP (HULKA e GRAY, 2001), que é baseado na maior quantidade de nióbio em solução sólida, permitindo processar a austenita em temperaturas ainda maiores e aumentar a produção de chapas.
Tabela 1 - Composição química típica, peso% de 50mm de chapa de alta resistência. Fonte: (HULKA e GRAY, 2001). Adaptado. Especificação do Aço S355 S355 S460 S460 S460 API X80 Processo N TM N QT TM+ACC 0,10%Nb TM+ACC C 0,15 0,07 0,15 0,10 0,07 0,03 Si 0,40 0,30 0,40 0,35 0,25 0,30 Mn 1,50 1,50 1,50 1.45 1,55 1,80 P 0,012 0,012 0,012 0,012 O,012 0,012 S 0,004 0,004 0,004 0,004 0,004 0,004 Al 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 N 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 0,005 Ti 0,015 0,015 0,015 0,015 0,015 0,015 V - - 0,12 - 0,04 - Nb 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,10 Cu - - 0,60 0,30 - 0,20 Ni - - 0,60 0,60 0,25 0,10 Mo - - - 0,25 - - CE 0,40 0,31 0,50 0,45 0,36 0,36 pcm 0,23 0,15 0,28 0,22 0,17 0,14
(N = Normalizado, TM = laminado termomecanicamente, QT = temperado e revenido, TM + ACC = laminado termomecanicamente + resfriamento acelerado)
O conhecimento dos mecanismos de endurecimento, envolvidos na obtenção da resistência mecânica dos aços de alta resistência e baixa liga (ARBL), tornou-se imperativo para as siderúrgicas e para os fabricantes de peças, tendo em vista que a maioria dos mecanismos produz um efeito antagônico entre a maior resistência mecânica e a tenacidade mais elevada. De fato, o único mecanismo de endurecimento no aço que permite, simultaneamente, combinar ambas as propriedades em níveis continuamente mais elevados é o de refinamento dos grãos (SHANMUNGAM, 2006).
A adição de determinados elementos químicos contribui para a obtenção de grão ferrítico fino. Os elementos com maiores potenciais para promover o refinamento do grão são aqueles capazes de formar uma segunda fase precipitada na matriz da microestrutura dos grãos em formação. Alumínio, nióbio,
2.2. A atuação dos elementos microligantes
O objetivo da atuação dos microligantes é limitar o crescimento do grão, atuando como uma barreira, obtendo-se o refinamento dos grãos para o alcance de elevada resistência mecânica e também elevada tenacidade. É importante afirmar que o planejamento da composição química é um processo fundamental para o sucesso da obtenção das propriedades desejáveis.
Os microligantes não alteram a estrutura cristalina nem possuem afinidade com o Fe (ferro), porém, devido à afinidade com o carbono e nitrogênio, os produtos desta interação formam os carbonetos e carbonitretos. Estes carbonetos e carbonitretos são precipitados durante as etapas de deformação a quente e mudam as microestruturas finais. A microliga de nióbio se enquadra nesta definição. Os microligantes impedem a movimentação da frente cristalina que causam a recristalização e crescimento de grãos austeníticos. A habilidade em reter o deslocamento de contornos dos grãos, que ocorreria logo após cada etapa da deformação a quente, sem a presença desses elementos, dá-se a denominação de “mecanismo de arraste do soluto” e, ao sucessivo controle do tamanho do grão austenítico através de deformações com a queda da temperatura, dá-se o nome de “condicionamento da austenita”.
O condicionamento da austenita pressupõe que, ao final de todo o processo de deformação e a uma temperatura próxima daquela para início de sua transformação, haja uma elevada relação entre o somatório da área de contornos de grão e o somatório do volume total de grão, que é chamada de parâmetro Sv. Colocando de outra forma, Sv é a densidade de sítios disponíveis para a nucleação da ferrita por unidade de volume. A maximização deste parâmetro indica o grau de condicionamento da austenita, significando que quanto maior o seu valor, menor será o tamanho de grão ferrítico, como pode ser verificado na figura 07.
Figura 7. Tamanho de grão ferrítico obtido a partir de valores variados de Sv em austenita recristalizada e austenita deformada. Fonte:(DEARDO, 2001)
2.3. O papel do nióbio nos aços microligados
O Nióbio ganhou notoriedade a partir da segunda metade do século 20 por suas características específicas, tais como:
- A elevada afinidade com os elementos carbono e nitrogênio; - A necessária solubilidade na austenita;
- O grande potencial para formação de precipitados na austenita e na ferrita; - A baixa afinidade com o oxigênio.
Estas características confirmam que o nióbio possui um perfil natural para cumprir com a função de um elemento microligante: obtenção de grandes mudanças nas propriedades do aço com adições em quantidades muito menores quando comparadas com aquelas necessárias com outros elementos de liga, como carbono, manganês, cromo e molibdênio, por exemplo.
As mais notáveis e desejáveis consequências finais da presença do nióbio sobre as características de um aço microligado podem ser assim discriminadas (MEYER, 2001):
- diminuição do tamanho do grão ferrítico; - retardamento da recristalização da austenita; - endurecimento por precipitação na matriz ferrítica.
Dentre os vários efeitos que o nióbio pode provocar em um aço ARBL, o mais pronunciado e de maior interesse, para o controle das propriedades mecânicas, via processamento na laminação termomecânica a quente, é o condicionamento da austenita. Um aço contendo nióbio, quando aquecido até a completa obtenção da fase austenítica, deverá apresentar este elemento tanto em solução sólida, quanto como precipitados de NbCN. Em ambas as condições, ele será capaz de provocar o retardamento da transformação desta fase em ferrita, durante resfriamento subsequente, devido sua atuação (DEARDO,
elemento têm em diminuir a velocidade de avanço dos contornos de grão ao se recristalizarem.
Com o aumento da quantidade de nióbio em solução, a força motriz para que ocorra a recristalização será reduzida. Entretanto, uma transição de baixa para alta força motriz pode ocorrer, se a quantidade de soluto se reduzir abaixo de uma determinada concentração, tornando maior a mobilidade dos contornos de grão, facilitando, assim, a recristalização do aço. A figura 8 mostra a solubilidade temperatura de solubilidade do nióbio em função do ter de carbono.
Figura 8. Solubilidade do nióbio em função do teor de carbono. Fonte: (GRAY J. M., SICILIANO F., 2009).
Não existem estudos que puderam determinar, com exatidão, a que concentração crítica de nióbio em solução ele é capaz de exercer tal fenômeno (SUBRAMANIAN, 2006). Na figura 9 podemos perceber a relevância do efeito do nióbio na temperatura de recristalização.
Figura 9. Efeito da adição de nióbio em comparação aos outros principais microligantes na Tnr. Fonte: (GRAY J. M., SICILIANO F.,2009).
Com a diminuição da temperatura, a mobilidade dos contornos de grão da austenita diminui, para qualquer aço examinado. A presença de nióbio em solução faz com que essa mobilidade seja mais reduzida. Contudo, o efeito não evolui proporcionalmente com o aumento do teor de nióbio em solução, havendo grande efeito inicial para uma quantidade razoavelmente pequena do elemento. Parece haver uma saturação deste efeito para um valor acima de 0,100% de concentração de Nióbio em solução. A figura 10 apresenta as curvas de mobilidade do contorno de grão da austenita em função da temperatura para várias concentrações de nióbio em solução.
Figura 10. Efeito da temperatura e da concentração de nióbio em solução na mobilidade do contorno de grão da austenita. Fonte:(SUBRAMANIAN, 2006)
b) a recristalização da microestrutura dos aços dependente do movimento de deslocações através dos contornos de grãos.
O arranjo e a movimentação das deslocações podem ser restringidos pela presença de partículas precipitadas na matriz do aço, o que dificultará a ocorrência do fenômeno da recuperação, necessário para que ocorra a nucleação da recristalização. A restrição ao seu desenvolvimento, ou o efeito que o elemento microligante adicionado provoca sobre a recristalização da austenita, tende a ser maior, quanto mais finos forem e melhor distribuídos estiverem os precipitados existentes.
c) as partículas dos precipitados são capazes de exercer um efeito no travamento da movimentação dos contornos de grão.
A força com que elas exercem a função de desacelerar o crescimento dos grãos, ou até mesmo de barrá-los por completo, é denominada de Força de Arraste de Zener e depende do volume e do tamanho das partículas precipitadas. Como sua evolução é mais demorada, não se espera grande contribuição sua quando da deformação a quente com intervalos curtos entre os passes. Seu efeito será tanto maior quanto maior for o volume total de precipitados formados, o que ocorrerá após vários segundos depois da aplicação do passe de laminação. Assim, com um aumento significativo da fração volumétrica de precipitados, a força de travamento das deslocações torna-se efetiva, dificultando o crescimento dos grãos recristalizados.
A formação de precipitados de nióbio fará com que haja uma redução da quantidade de soluto disponível capaz de exercer o efeito de arraste de soluto, enquanto a precipitação é seguida por uma maior migração dos contornos de grão, favorecendo a recristalização da austenita. Um balanço entre a quantidade de nióbio em solução e a densidade de deslocações é requerido para que se obtenha o máximo efeito de sua adição a um aço ARBL, com a pretensão de se obter um grão ferrítico final mais fino (SUBRAMANIAN, 2006).
2.4. TMCP – The Thermo-Mechanical Rolling Process
O objetivo maior da laminação termomecânica é a obtenção da redução do tamanho de grão e controle da estrutura metalúrgica que se deseja, sendo possível fabricar aços que possui resistência mecânica similar com baixo teor de carbono equivalente (incluindo as microligas), resultando na maior eficiência de fabricação onde estão aços são utilizados, além da prevenção de trincas durante soldagem. A maioria dos aços ARBL é constituída por ligas com baixo carbono equivalente e o seu processamento é determinado através da laminação termomecânica, geralmente acompanhado do controle de resfriamento após laminação. A definição de processo de laminação termomecânica é definida em normas de aços estruturais, exemplo EN 10113(3) – 1993, mas em geral pode ser definida para processo que atingem estruturas de grãos refinados que permitem o favorecimento de combinação de propriedades mecânicas. O planejamento de laminação é orientado pela composição química do aço, composto pelos seguintes passos e governados pelo tempo e temperatura (STREISSELBERGER, 2001):
- Forno - Temperatura de reaquecimento adequada para promoção da solubilização dos microligantes, tipicamente acima de 1150ºC
- Laminação – baseado no sequenciamento de passes planejados para o passe de laminação final na austenita não recristalizada. A alta temperatura de acabamento também facilita o processamento para obtenção de melhor planicidade em menores cargas de laminação;
- Resfriamento – tanto ao ar livre ou em pilhas de chapas, ou acelerado da linha de resfriamento on-line, até a temperatura de resfriamento final definida. Temperatura ao final do resfriamento acelerado deve ser baixa o bastante para formação de microestruturas favoráveis.
e fabricadas por chapas grossas. O método de projeto e a construção apresentam uma vantagem econômica devido à menor necessidade de aço aplicado para a construção e além de benefícios na logística para o transporte das peças fabricadas e menor tempo de preparação para soldagem. A figura 11 mostra como a influência do controle de resfriamento para diferentes obtenções de estruturas metalográficas.
Figura 11. Relação da taxa de resfriamento da temperatura da zona de transformação e estruturas metalográficas e também nível de resistência mecânica. Fonte: (NIPPON STEEL e SUMITOMO
STEEL, 2017). Adaptado.
2.5. Descrição do processo de laminação de Chapas Grossas
O processo de laminação de chapas depende de outros processos anteriores para a obtenção da placa, o insumo principal para a produção de chapas. Existem diversas especificações para ampla gama de aplicações de chapas, desde a mais simples aplicação estrutural até aplicações complexas para trabalho em alta pressão. Destacamos a importância da qualidade da placa para a entrada do processo de laminação, que além de atendimento aos requisitos de qualidade mais exigentes no mercado, não se admite falha no controle de qualidade principalmente para as chapas em aplicações mais severas. Vejamos a seguir uma ilustração básica dos processos que antecedem o processo de laminação na figura 12.
Figura 12. Fluxo básico processos para a obtenção da placa. Fonte: (NIPPON STEEL e SUMITOMO STEEL, 2017). Adaptado.
Desde que atendida à especificação da placa, entregue no pátio de placas da laminação, inicia-se o processo de laminação conforme figuras 13 e 14.
Figura 13.Fluxo básico do processo reaquecimento, laminação e resfriamento controlado. Fonte: (NIPPON STEEL e SUMITOMO STEEL, 2017). Adaptado.
Figura 14. Fluxo básico do processo resfriamento ao ar e corte de chapa. Fonte: (NIPPON STEEL e SUMITOMO STEEL, 2017).Adaptado.
2.5.1. Estocagem e reaquecimento de placas
As placas são produzidas na aciaria e estocadas no pátio de placas da laminação em endereços de armazenamento já cadastrados e disponíveis para programação de reaquecimento e laminação. Depois de programadas, as placas são transportadas para o forno de reaquecimento de placas para serem reaquecidas em sequência pré-determinada, critérios como a resistência do aço, largura e espessura são variáveis importantes para melhor vida útil dos cilindros de laminação e redução de custos de produção. A identificação da placa é importante para a rastreabilidade e controle de qualidade. O pátio de placas está mostrado na figura 15.
Dimensão da placa: espessura: 220 ou 250 mm; largura: 900 a 2100 mm; comprimento: 2200 a 3600 mm.
O processo de reaquecimento de placas garante a homogeneidade térmica das placas até que estas atinjam a temperatura especificada, geralmente acima de 1150°C, afim de se obter as propriedades mecânicas e metalúrgicas requeridas durante a laminação.
O forno de reaquecimento de placas tipo walking beam, totalmente automatizado, com controle dinâmico e automático das temperaturas através de um sistema de modelamento matemático melhorando a uniformidade da temperatura nas placas e reduzindo o consumo de combustível (neste caso utiliza-se gás natural ou gás de coqueria misturado com gás de alto forno).Este processo é de suma importância na laminação termomecânica de aços microligados, visto que é imprescindível a solubilização do microligante no forno para garantir uma distribuição homogênea na placa. A figura 16 mostra o desenfornamento da placa reaquecida.
2.5.2. Descarepação primária
O sistema de descarepação é importante para assegurar que a superfície da placa isenta de óxidos formados durante o aquecimento. Além de ser responsável pela remoção de carepas (óxidos de ferro), este sistema é totalmente automatizado e faz a remoção dos óxidos através do impacto de jatos contínuos de água com bicos spray de alto impacto. As figuras 17 e 18 apresentam o equipamento descarepador e a configuração do spray de água, respectivamente.
Figura 17. Descarepador primário. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010)
Figura 18. Padrão típico para configuração do spray para descarepação. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010)
O processo de descarepação é importante para a garantia da qualidade superficial da chapa durante o processo de laminação. O jato em alta pressão, retiram os óxidos de ferro originados no processo de reaquecimento que ficam aderidos na chapa. A tabela 2 descreve as características do equipamento de descarepação da Gerdau.
Tabela 2 - Características do Descarepador Primário. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010)
Tipo Hidráulico (água)
Pressão de descarepação 250 bar
Quantidade de Headers 2 superiores e 2 inferiores
Ajuste de altura Automático
encosto, porém apenas os cilindros de trabalho são acionados por motores. A característica do laminador de chapas grossas da Gerdau é mostrada na tabela 3.
Tabela 3 - Características técnicas do Laminador. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010).
Tipo 4-Hi Single piece housing (Cadeira única)
Largura do work roll Largura do back up roll
4100mm 3800 Diâmetro do work roll
Diâmetro do back up roll
1120mm 2200mm
Força máxima de laminação 8600 ton
Potência motores de acionamento 2 x 8500 kW
Figura 20. Laminador de chapas grossas em operação. Fonte: (Autoria própria).
A principal diferença tecnológica entre os métodos tradicionais para laminação de chapas grossas e a tecnologia de laminação com laminadores quádruos reversíveis, é o processo final de laminação, onde as etapas de esboçamento, alargamento e acabamento podem ocorrer em um único laminador, sendo este totalmente automatizado. Além disso, é possível fazer o passe de espera quando em laminação termomecânica. Na espera a fase de acabamento pode ser dividida em uma ou duas etapas, laminando até uma espessura definida, onde a laminação é interrompida e o material oscila nas mesas de rolos aguardando o tempo necessário para que a temperatura objetivada seja alcançada de retorno da laminação para o passe final.
O processo no laminador do tipo quádruo reversível pode ser descrito em algumas etapas: A placa é laminada até uma espessura específica (laminação de esboço), e nesta fase, a laminação consiste basicamente na passagem na placa pelos cilindros de trabalho havendo redução de espessura gradativamente a capa passe.
Após a fase de esboçamento a placa gira 90° e inicia o alargamento do material até a largura desejada. Em seguida, a placa gira novamente sendo laminada com a espessura final requerida pelo cliente. Esta etapa é realizada em vários passes a depender do tipo de aço, largura da placa, espessura final do
nas propriedades mecânicas é pouco significativa. Por outro lado, se deve respeitar certos limites de temperatura em função das limitações do equipamento e planicidade do esboço. Já a laminação termomecânica, consiste na aplicação de sucessivos passes de redução respeitando-se rigorosamente a determinados patamares de temperatura que são decisivos para obtenção de propriedades mecânicas específicas.
A laminação termomecânica tem 1 ou 2 patamares de espessura onde a chapa é resfriada ao ar até a temperatura especificada. Nesta temperatura a laminação é reiniciada e reduções são realizadas até a espessura e temperatura de acabamento especificada. A temperatura final é geralmente entre 700 a 850°C dependendo da especificação do aço que será produzido. Na figura 21 é possível perceber as dimensões do laminador e o seu conjunto de acionamento constituídos por 2 motores elétricos.
Figura 21. Vista frontal do laminador e acionamento principal. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010).
2.5.4. Pré-desempenadeira
A Pré-desempenadeira numa linha de laminação de chapas grossas é instalada entre a saída do laminador e a máquina de resfriamento acelerado, no caso da laminação da Gerdau, possui as seguintes características:
Tabela 4 - Características da Pré Desempenadeira. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010).
Tipo 4Hi - Hidráulica
Número de rolos 5 (3 superiores, 2 inferiores)
Diâmetro 280mm / 270mm
Força 1200 ton
Motor 1 x 450kW
Velocidade 2.0 m/s
Este equipamento é constituído por 4 cilindros hidráulicos localizados na estrutura superior que controla a abertura e carga entre os rolos da entrada e da saída independentemente. Os rolos de trabalho que funcionam sob suporte dos rolos de encosto.
O processo de desempeno tem o objetivo de minimizar o defeito de planicidade do laminado antes do resfriamento, visto que a chapa tem que estar com as devidas condições de planicidade antes de passar pelo processo de resfriamento para se obter uniformidade no resfriamento e consequentemente uma maior homogeneidade de propriedades mecânicas. A figura 22 mostra o arranjo básico configuração básica dos rolos de desempeno.
Figura 22. Cassetes de rolos de desempeno da pré desempenadeira. Fonte:(ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010).
2.5.5. Resfriamento Acelerado
O processo de resfriamento do esboço é composto por uma unidade de resfriamento com quatro bancos capazes de promover dois tipos de resfriamento: acelerado (ACC) e tempera direta (DQ). As vazões requeridas, assim como distribuição desta vazão ao longo do comprimento da chapa, variam com a especificação e taxa de resfriamento desejada. Este equipamento opera com controle automatizado e operados por modelos matemáticos avançados que aproximam os parâmetros de vazão, temperatura e taxa de resfriamento de acordo com a microestrutura que se deseja alcançar. A tabela 5 apresenta as características técnicas de processo, é notório a capacidade de vazão que este equipamento atinge.
Tabela 5 - Características do resfriamento acelerado. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010)
Tipo Resfriamento acelerado de chapas por água
Comprimento 24 m
Número de bancos 4 bancos com 6 cabeçotes de refrigeração cada
São divididos em superior e inferior Números de bicos de refrigeração 43.680
Vazão de água Resfriamento acelerado - nominal 15 l/s/m2 –
Total 11.360 m /h
Têmpera Direta - nominal 33 l/s/m2 – Total 11.930 m3/h
Fornecimento de água ACC – tanque elevado (gravidade)
DQ – banco A Sistema de bombas (forçado)
Utiliza-se água como meio refrigerante através de vários jatos distribuídos ao longo da mesa, subdivididos por quatro seções independentes comandadas por válvulas controladoras de vazão. A foto da figura 23 mostra o equipamento resfriamento acelerado.
2.5.6. Desempenadeira a quente
A desempenadeira a quente tem a função de eliminar o empeno, ou seja, corrigir a forma do material logo após a laminação, ver figuras 24, 25 e 26. Consiste na passagem do material entre os rolos, defasados entre si, de modo a permitir a deformação plástica com estiramento da região ondulada. Obtendo-se a planicidade para os valores de tolerâncias de qualidade.
Figura 24. Desempenadeira a quente. Fonte: Autoria própria.
Figura 25. Desempenadeira a quente, vista lateral dos rolos de desempenos superiores e inferiores. Fonte:(ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010).
Figura 26. Desempenadeira a quente - Arranjo de acionamento. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010).
A tabela 6 mostra as características básicas do equipamento e capacidade de desempeno da desempenadeira a quente.
Tabela 6 - Características da Desempenadeira a Quente. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010).
Tipo 4 Hi - Hidráulica
Número de rolos 11 (6 superiores, 5 inferiores)
Diâmetro dos rolos 280mm / 270mm
Força 3000 ton
Motor 11 x 160kW
Velocidade 2.0 m/s
Curso cilindro hidráulico de flexão 50 mm
2.5.8. Linha de Corte de Chapas
A linha de corte composta pela tesoura de corte de bordas laterais e tesoura divisora de chapas são os principais equipamentos. A tesoura lateral, figuras 27 e 28 tem a função de cortar as bordas da chapa na largura desejada pelo cliente, já a tesoura divisora conforme figura 29 tem a função de descartar as pontas, cortar o esboço em chapas no comprimento que cada cliente solicitar, além de também, retirar a tira de amostragem para análises de qualidade em laboratório. As tabelas 7 e 8 possui informações sobre as características técnicas básicas da tesoura lateral e da tesoura divisora, respectivamente.
Tabela 7 - Características técnicas da Tesoura Lateral. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010).
Tipo Mecânico – Virabrequim triplo
Força de Corte 6500kN
Taxa de corte 20 cortes por minuto
Espessura da Chapa Mínimo 5mm
Máximo 50 mm
Largura da chapa cortada Mínimo 900mm
Máximo 3600mm
Comprimento da chapa Mínimo 6500mm
Máximo 50000mm
Figura 28. Modelo 3D do mecanismo de corte da tesoura lateral. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010).
Tabela 8 - Características técnicas da tesoura divisora. Fonte: (ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA GERDAU, 2010).
Tipo Mecânico – Virabrequim duplo
Força de Corte 1600kN
Ciclo de corte 4,5 s
Espessura da Chapa Mínimo 5mm
Máximo 50 mm
Largura da chapa cortada Mínimo 900mm
Máximo 3600mm
Comprimento da chapa Mínimo 6500mm
Máximo 50000mm
2.5.9. Estocagem e expedição de produtos
Os pátios internos da linha de chapas grossas são gerenciados por sistemas de controle desenvolvidos em parceria com a área de Tecnologia de Informação. Estes sistemas têm como principais funções garantir o rastreamento de placas e chapas estocadas nos pátios, otimizar a estocagem e minimizar a movimentação interna de material. Depois que as chapas são recebidas e estocadas em endereços cadastrados elas ficam à disposição para programação da logística. Depois de programada a expedição, os produtos são enviados aos clientes.
CAPÍTULO 3
3. MATERIAIS E MÉTODOS
O objetivo deste trabalho é conhecer os resultados de propriedades mecânicas do aço microligado especificação ASTM-A572Gr501 (A572/A572M – 15) e do aço especificação ASTM-A36 (A36/A36M – 14), bem como uma análise de caracterização metalográfica para explicar as diferenças entre os dois tipos de aço. Para atingir este objetivo, neste capítulo consta a apresentação dos materiais, equipamentos, procedimentos e planejamento de cada etapa.
O processo de laminação, preparação de amostras e a execução dos procedimentos experimentos foram realizadas dentro da Gerdau com o apoio das áreas operacionais e de qualidade para que os testes foram garantidos pelo controle de qualidade da empresa. A figura 30 apresenta o fluxograma planejado o experimento.
PROCEDIMENTO
EXPERIMENTAL
ETAPAS DO PROCEDIMENTO
LAMINAÇÃO A QUENTE
AÇO CARBONO
CONVENCIONAL
AÇO CARBONO
MICROLIGADO
SELEÇÃO DAS AMOSTRAS E
PREPARAÇÃO DOS CORPOS DE PROVAS
3.1. Seleção e laminação dos aços
Os aços aplicados neste estudo foram chapas laminadas de aço microligado ao nióbio do aço microligado especificação ASTM-A572Gr501 (A572/A572M – 15) e do aço especificação ASTM-A36 (A36/A36M – 14). Estes aços são provenientes de corridas de teores similares de carbono, importante na propriedade mecânica de tração, o enxofre é importante na propriedade de tenacidade.
Para os testes de laminação foram utilizadas placas de 250mm de espessura, 2100mm de largura e 3600 mm de comprimento. A composição química especificada está apresentada na tabela 9.
Tabela 9 - Composição Química da Placa (% em peso). Fonte: (NormasASTM A36/A36M-14 e ASTM A572/A572M-15).
Especificação do Aço
C Mn Si S P Nb
ASTM-A36 0,25 0,80 – 1,2 0,40 0,030 0,030 -
ASTM A572 0,23 1,35 0,40 0,030 0,030 0,005-0,05
O equipamento utilizado para o processamento das placas foi o laminador de chapas grossas da empresa Gerdau. Todas as placas foram laminadas e produziram chapas comerciais nas dimensões de 25,4mm de espessura, 2440mm de largura e 6000mm de comprimento.
3.2. Processo de Reaquecimento da Placa
O processo de reaquecimento da placa foi feito no forno de reaquecimento Walking Beam de 57 metros de extensão. Para o processo de reaquecimento e a solubilização completa do nióbio, foram definidos os seguintes parâmetros:
- Temperatura mínima de desenfornamento da placas: 1220°C;
A temperatura de desenfornamento foi definida com base na equação 01 para solubilidade dos carbonitretos de nióbio proposta por IRVINE demonstrada abaixo:
Ts = 6770 2,26 − {𝑙𝑜𝑔[%𝑁𝑏][%C]} (Equação 1) Onde: Ts - Temperatura de desenfornamento Nb – Nióbio C - Carborno
Na prática, a temperatura de desenfornamento do aço carbono tende a ser inferior ao aço microligado. Para efeito de produtividade e sequenciamento de placas na etapa de enfornamento, todas as placas foram desenfornadas com temperaturas acima de 1220°C.
3.3. Laminação de Acabamento e de Desbaste
O processo foi delineado nos conceitos de laminação termomecânica somente para o aço microligado. A premissa do plano de passes durante a laminação baseou-se na aplicação de uma alta redução de espessura nos passes de desbaste (roughing passes) para obtenção de menor tamanho de grão austenítico, temperatura de espera para resfriamento em uma espessura com a qual é possível desenvolver alta deformação do grão austenítico acima da Tnr, e a laminação de acabamento (finishing passes) com o mínimo de passes possível, abaixo da Tnr.
O cálculo da Tnr baseou-se na equação de BORATTO (1988) mostrada na equação 2.
𝑇𝑛𝑟 = 887 + 464𝐶 + (6645𝑁𝑏 − 644√𝑁𝑏) + (732𝑉 − 230√𝑉) + 890𝑇𝑖 + 363𝐴𝑙 − 357𝑆𝑖
(Equação 2) Onde:
Para o aço ASTM-A572Gr501 (A572/A572M – 15) a Tnr calculada foi de 951°C.
O processo foi delineado considerando estas temperaturas calculadas conforme Tabela 10 abaixo.
Tabela 10 - Temperaturas críticas de laminação. Fonte: (Autoria própria). Material Temp. Solubilização Tnr Temp. Acabamento AR3 Processo Laminação ASTM-A572Gr501 (A572/A572M – 15) 1212°C 973°C 820 – 855ºC 750°C Laminação termomecânica ASTM-A36 (A36/A36M – 14) NA NA ~950°C 796°C Laminação Convencional
A temperatura após o último passe na fase de acabamento ocorreu acima da temperatura Ar3. A temperatura Ar3foi calculada pela fórmula proposta por OUCHI, (1982) equação 3. Para o aço ASTM-A572Gr501 (A572/A572M – 15) a Ar3 calculada foi de 758°C e para o aço ASTM-A36 (A36/A36M – 14) foi de 799°C. 𝐴𝑟3 = 910 − 310𝐶 − 80𝑀𝑛 − 20𝐶𝑢 − 15𝐶𝑟 − 55𝑁𝑖 − 80𝑀𝑜 + 0,35(𝑡ℎ − 8) (Equação 3) Onde: C: Carbono Mn - Manganês Cu - Cobre Cr - Cromo Ni - Níquel Mo - Molibdênio
Th - espessura da chapa (neste caso de 25,4mm).
Após a laminação todas as chapas laminadas foram resfriadas naturalmente ao ar.
3.4. Equipamentos utilizados no Laboratório
3.4.1. Laboratório – Microestrutural
Microscopia ótica com o microscópio modelo Olympus BX60m.
Ensaio Universal (tração)
Máquina de tração Shimadzu, Capacidade de 600kN, foi utilizada. Extensômetro automático, Fabricante Shimadzu Modelo: ST50-50-25.
Ensaio de dureza
Durômetro de marca Wilson-Wolpert, modelo S8–300, com capacidade de 50 kgf.
Ensaio de absorção de impacto (Charpy)
Zwick, modelo RPK750, com capacidade de 750 J.
3.5. Planejamento
Neste estudo foram utilizadas amostras provenientes de chapas grossas produzidas industrialmente na espessura de 25,40 mm. Essas amostras foram utilizadas para estudar as propriedades das chapas grossas em função da composição química e laminação termomecânica utilizados na laminação a quente. Ambas são pertencentes a duas classes de aços, um aço sem adição de microligas especificação ASTM-A36 (A36/A36M – 14) e outro microligado ao nióbio, especificação ASTM-A572Gr501 (A572/A572M – 15). Segue abaixo na tabela 11 o plano de corpo de provas para a realização dos experimentos.
Tabela 11 - Plano de corpos de provas para experimento. Fonte:(Autoria própria).
Etapas de testes Aço carbono Aço microligado
1. Identificação e retirada de amostras 3 amostras (250x300mm) de 3 diferentes chapas 3 amostras (250x300mm) de 3 diferentes chapas
2. Usinagem dos corpos de provas (CP’s) para ensaio mecânico Charpy Transversal e Análise de fratura
Total: 18 CP’s Total: 18 CP’s
3. Usinagem dos CP’s para Ensaio
de Tração Transversal Total: 03 CP’s Total: 03 CP’s
4. Preparação amostra para micrografia, metalografia, e ensaio de dureza
de amostras: 300 mm de largura por 300 mm de comprimento. Todos os corpos de prova foram confeccionados na instalação da Gerdau em atendimento a ASTM A370.
3.5.2. Testes de tração
A determinação da resistência mecânica dos aços foi definida pela realização de testes de tração, orientados na direção transversal à direção de laminação das chapas grossas. Foram utilizados corpos-de-prova (CP) retirados da posição correspondente ao topo do esboço na posição da borda, conforme requerimento da norma ASTM-A6. Os corpos de provas, com seção circular, foram usinados com dimensões conforme ASTM A370 conforme figura 31. A tensão de escoamento foi determinada, com uso de um extensômetro automático. As condições do ensaio cumpriram com as determinações da especificação ASTM A370, ver figura 32.
Figura 32. Fotografia de um ensaio de tração. Fonte: (Autoria própria).
3.5.3. Teste de Impacto Charpy
Os testes de tenacidade na direção transversal à direção de laminação das chapas grossas foram realizados, com a utilização de corpo-de-prova (CP) retirado na posição correspondente a ¼ da espessura da amostra, conforme requerimento da ASTM-A370. Os corpos de provas foram usinados para redução da espessura até 10 mm, conforme regra de obtenção do tamanho padrão. As condições de preparação dos corpos de provas e de execução dos testes cumpriram com os requerimentos dados na especificação ASTM A370. Os testes foram realizados nas temperaturas de 20°C e 0°C. As avaliações das fraturas foram efetuadas também conforme norma ASTM-A370.
Dimensão: 10mm x 10mm (espessura x largura) x 55mm (comprimento). A tabela 12 e figura 33 fornecem informações da ASTM-A370 sobre as dimensões padronizadas para este teste.
