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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
CURSO DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA
METALÚRGICA E DE MINAS
Dissertação de Mestrado
Metalurgia Extrativa
“MELHORIA DA LINGOTABILIDADE
DO AÇO INOXIDÁVEL FERRÍTICO AISI 409
NA ARCELORMITTAL INOX BRASIL”
Autor: Joilson Moreira Ferreira da Silva
Orientador: Prof. Roberto Parreiras Tavares
Co-orientadores: Eng. M.Sc. Helio José Batista Alves
Eng. M.Sc. Daniel Luiz Coimbra
Belo Horizonte, Novembro de 2009
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ii
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
Curso de Pós-Graduação em Engenharia Metalúrgica e de Minas
Joilson Moreira Ferreira da Silva
“MELHORIA DA LINGOTABILIDADE DO AÇO INOXIDÁVEL
FERRÍTICO AISI 409 NA ARCELORMITTAL INOX BRASIL”
Dissertação de Mestrado apresentada ao Curso de Pós-Graduação em Engenharia
Metalúrgica e de Minas, da Universidade Federal de Minas Gerais, em novembro de
2009.
Área de concentração: Metalurgia Extrativa
Orientador: Prof. Roberto Parreiras Tavares
Co-orientadores: Eng. M. Sc. Helio José Batista Alves
Eng. M. Sc. Daniel Luiz Coimbra
Belo Horizonte - Minas Gerais
Escola de Engenharia da UFMG
2009
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iii
Aos meus pais: José Ferreira e Sônia Maria.
Aos meus irmãos: Eduardo, Jesusmar,
Joisceany, Ilcilainy e Josie Mara.
E em especial à minha noiva Kátia.
iv
AGRADECIMENTOS
Desejo manifestar aqui meus agradecimentos, aos que de alguma ou outra forma
contribuíram na realização deste trabalho.
Aos professores Roberto Parreiras Tavares, orientador, e Luiz Fernando Andrade de
Castro, aos Engenheiros Helio José Batista Alves e Daniel Luiz Coimbra, co-
orientadores, ao Engenheiro Pedro José Nolasco Sobrinho, pelo apoio incondicional,
paciência, dedicação e facilidades oferecidas durante curso e no desenvolvimento deste
trabalho.
A ARCELORMITTAL INOX BRASIL S.A., nas pessoas dos gerentes Ronaldo Claret
Ribeiro da Silva, Alexandre Tadeu Lopes Serrano, Marco Antônio Nunes de Carvalho,
pela aprovação do mestrado e pelo constante apoio. Aos colegas das áreas de formação
e treinamento, metalurgia, centro de pesquisas, laboratórios, controle de processo da
aciaria, e em especial, aos profissionais Valdeci de Paula Alvarenga, Francisco Manoel
Perez do Nascimento, João Geraldo Alves, Geovane Martins Castro, Décio Sartori Felix
Filho, Adão Adélcio Campos e Marli Jerônimo da Silva, pela prestação de contas,
transporte, amostragem, realização de ensaios, discussões, sugestões, orientações,
soluções de problemas, entre outros, que foram fundamentais para a conclusão deste
trabalho.
Aos professores do DEMET que me acompanharam durante o curso, aos colegas e
funcionários do DEMET pelo desenvolvimento de trabalhos, sugestões, artigos, troca de
informações e documentação.
Aos meus pais José Ferreira e Sônia Maria, e irmãos Eduardo, Jesusmar, Joisceany,
Ilcilainy e Josie Mara, pelo acolhimento, apoio e compreensão. À minha noiva Kátia,
pela compreensão, apoio, carinho e discussões de idéias.
Finalmente a Deus por ter me proporcionado esta oportunidade.
v
SUMÁRIO
Página
AGRADECIMENTOS................................................................................................................. iv
SUMÁRIO .................................................................................................................................... v
LISTA DE FIGURAS .................................................................................................................vii
LISTA DE TABELAS .................................................................................................................. x
LISTA DE NOTAÇÕES..............................................................................................................xi
RESUMO ....................................................................................................................................xii
ABSTRACT...............................................................................................................................xiii
1 INTRODUÇÃO ......................................................................................................................... 1
2 OBJETIVOS .............................................................................................................................. 2
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA.................................................................................................. 3
3.1
AÇOS INOXIDÁVEIS ............................................................................................................. 3
3.1.1 Aços Inoxidáveis Austeníticos .................................................................................... 4
3.1.2 Aços Inoxidáveis Martensíticos................................................................................... 5
3.1.3 Aços Inoxidáveis Ferríticos......................................................................................... 5
3.1.3.1 Estampagem do aço inoxidável ferrítico .................................................................. 7
3.1.3.2 Aço inoxidável ferrítico AISI 409............................................................................ 9
3.2
FLUXO DE PRODUÇÃO DOS AÇOS INOXIDÁVEIS NA AMIB............................................... 10
3.3
FORNO PANELA ................................................................................................................. 12
3.4
PROCESSO DE LINGOTAMENTO CONTÍNUO....................................................................... 14
3.5
INCLUSÕES ........................................................................................................................ 19
3.5.1 Composição química das inclusões ........................................................................... 19
3.5.2 Origem das inclusões não metálicas.......................................................................... 20
3.5.3 Plasticidade das inclusões.......................................................................................... 20
3.5.4 Tamanho das Inclusões.............................................................................................. 20
3.6
DESOXIDAÇÃO .................................................................................................................. 22
3.7
OBSTRUÇÃO DA VÁLVULA SUBMERSA NO LINGOTAMENTO CONTÍNUO.......................... 24
3.7.1 Obstrução da válvula submersa por efeito térmico.................................................... 25
3.7.2 Obstrução da válvula submersa por efeito químico................................................... 26
vi
3.7.3 Mecanismo de obstrução da válvula submersa em aços inoxidáveis estabilizados ao
titânio.................................................................................................................................. 28
3.8
ESFOLIAÇÃO NO AÇO AISI 409 ......................................................................................... 30
4 METODOLOGIA........................................................................................................ 32
4.1 ANÁLISE DA VÁLVULA SUBMERSA E DO DEFEITO ESFOLIAÇÃO EM BF .......................... 32
4.2
CORRELAÇÕES ENTRE COMPOSIÇÃO QUÍMICA DO AÇO P409A E OBSTRUÇÃO NO LC E
ÍNDICE DE DESVIO POR ESFOLIAÇÃO EM BF .......................................................................... 34
4.3
REALIZAÇÃO DAS CORRIDAS EXPERIMENTAIS DO AÇO P409A ....................................... 34
4.3
TESTES LABORATORIAIS................................................................................................... 36
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................................ 39
5.1 ANALISE DAS VÁLVULAS SUBMERSAS E DO DEFEITO ESFOLIAÇÃO EM BOBINAS
LAMINADAS A FRIO................................................................................................................. 39
5.2
INFLUÊNCIA DA COMPOSIÇÃO QUÍMICA NA OBSTRUÇÃO DAS VÁLVULAS SUBMERSAS E
NA
ESFOLIAÇÃO EM PRODUTOS LAMINADOS A FRIO ............................................................. 42
5.3
RESULTADOS LABORATORIAIS ......................................................................................... 52
6 CONCLUSÕES........................................................................................................... 59
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS....................................................... 60
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................................... 61
BIBLIOGRAFIA............................................................................................................ 64
APÊNDICE .................................................................................................................... 66
vii
LISTA DE FIGURAS
Página
Figura 3.1: Formação da camada passiva dos aços inoxidáveis .......................................3
Figura 3.2: Tipos de aços inoxidáveis e suas aplicações. ..................................................................4
Figura 3.3: Diagrama Fe-Cr com destaque para o domínio dos aços inoxidáveis
ferríticos ............................................................................................................................6
Figura 3.4: Diagrama de Kaltenhauser..............................................................................7
Figura 3.5: Sistema de exaustão de um veículo automotivo com seus principais
constituintes.....................................................................................................................10
Figura 3.6: Fluxo de produção do aço inoxidável na ArcelorMittal Inox Brasil.............11
Figura 3.7: Fluxo de produção do aço inoxidável na aciaria da ArcelorMittal Inox
Brasil................................................................................................................................11
Figura 3.8: Representação esquemática de um Forno Panela ........................................13
Figura 3.9: Vista esquemática do processo de lingotamento contínuo...........................15
Figura 3.10: Desenho esquemático de uma válvula submersa .......................................16
Figura 3.11: Desenho esquemático de um molde de lingotamento contínuo de placa ...17
Figura 3.12: Visão esquemática das principais regiões do distribuidor e do molde, com
destaque para a válvula submersa ...................................................................................18
Figura 3.13: Exemplos das características de inclusões após o lingotamento e após a
laminação.........................................................................................................................21
Figura 3.14: Esquema de diferentes tipos de obstruções de válvulas submersas ...........25
Figura 3.15: Morfologia do TiN encontrado na obstrução da válvula submersa no
lingotamento contínuo do aço AISI 409 .........................................................................29
Figura 3.16: Partícula de espinélio presente na superfície do cubo de TiN ...................30
Figura 3.17: Defeito esfoliação em BF no aço P409A ...................................................31
Figura 4.1: Carta gráfica do processo de lingotamento contínuo do aço P409A na
Arcelor Mittal Inox Brasil ..............................................................................................33
Figura 4.2: Válvula submersa do processo de lingotamento contínuo, com destaque para
a obstrução parcial ..........................................................................................................33
Figura 4.3:Diagrama de fase para a liga FeTi .............................................................. 35
Figura 4.4: Ilustração da amostra retirada para testes laboratoriais .............................. 36
viii
Figura 4.5: Dimensões do corpo de prova para teste de tração no Centro de Pesquisas da
ArcelorMittal Inox Brasil .............................................................................................. 37
Figura 5.1: Válvula submersa com obstrução parcial durante o lingotamento do aço
P409A ........................................................................................................................... 39
Figura 5.2: Área analisada da inclusão encontrada na válvula submersa do aço P409A
........................................................................................................................................ 41
Figura 5.3: Área analisada do defeito esfoliação em bobinas laminadas a frio do aço
P409A ........................................................................................................................... 41
Figura 5.4: Influência do teor de silício na obstrução de válvula no lingotamento do aço
P409A (período: janeiro de 2007 a maio de 2008) ........................................................ 42
Figura 5.5: Variação do índice de desvio por esfoliação em BF em função do teor de Si
(período: janeiro de 2007 a maio de 2008)..................................................................... 43
Figura 5.6: Influência do teor de titânio na obstrução de válvula no lingotamento do aço
P409A (período: janeiro de 2007 a maio de 2008)......................................................... 44
Figura 5.7: Variação do índice de desvio por esfoliação em BF em função do teor de Ti
(período: janeiro de 2007 a maio de 2008).................................................................... 44
Figura 5.8: Influência da relação Si/Ti na obstrução do aço P409A (período: janeiro de
2007 a maio de 2008)..................................................................................................... 45
Figura 5.9: Histograma da relação Si/Ti no período de janeiro de 2007 a maio de
2008.................................................................................................................................46
Figura 5.10: Histograma da relação Si/Ti no período de junho de 2008 a abril de
2009.................................................................................................................................46
Figura 5.11: Válvula submersa sem obstrução, lingotamento do aço P409A com relação
de Si/Ti mais elevada...................................................................................................... 47
Figura 5.12: Evolução da relação Si/Ti no aço P409A .................................................. 48
Figura 5.13: Evolução do esmerilhamento de placas no aço P409A ............................. 48
Figura 5.14: Índice de desvio por A35 em BF do aço P409A ........................................49
Figura 5.15: Evolução do rendimento da liga FeTi70 no aço P409A ........................... 50
Figura 5.16: Histograma da relação de estabilização Ti/(C+N) no período de janeiro de
2007 a maio de 2008 .......................................................................................................51
Figura 5.17: Histograma da relação de estabilização Ti/(C+N) no período de junho de
2008 a abril de 2009........................................................................................................51
ix
Figura 5.18: Gráfico comparativo dos resultados laboratoriais do limite de escoamento
(MPa) do aço P409A ......................................................................................................52
Figura 5.19: Gráfico comparativo dos resultados laboratoriais do limite de resistência
(MPa) do aço P409A ......................................................................................................53
Figura 5.20: Gráfico comparativo dos resultados laboratoriais do alongamento total (%)
do aço P409A ..................................................................................................................53
Figura 5.21: Gráfico comparativo dos resultados laboratoriais da dureza (HrB) do aço
P409A .............................................................................................................................54
Figura 5.22: Analise de micropureza da unidade metálica 901529H3000B [Ti/(C+N)
entre 7,0 a 8,0] ................................................................................................................55
Figura 5.23: Analise de micropureza da unidade metálica 901528J2000B [Ti/(C+N)
entre 6,0 a 7,0].................................................................................................................55
Figura 5.24: Resultado de anisotropia planar para diferentes estabilizações do aço
P409A .............................................................................................................................56
Figura 5.25: Microestrutura do aço P409A para relação de estabilização menor do que
7,0 ...................................................................................................................................57
Figura 5.26: Microestrutura do aço P409A para relação de estabilização maior do que
7,0 ...................................................................................................................................57
x
LISTA DE TABELAS
Página
Tabela III.1: Valores médios e limites máximos de emissão de poluentes para veículos
leves de passageiros ..........................................................................................................9
Tabela III.2: Principais reações que ocorrem na desoxidação do aço e sua respectiva
ΔG°..................................................................................................................................23
Tabela III.3: Fatores que influenciam e medidas contra a obstrução de válvulas
submersas.........................................................................................................................27
Tabela V.1: Principais constituintes em porcentagem de massa (%) presentes na
obstrução das válvulas submersas ..................................................................................40
Tabela V.2: Principais constituintes em porcentagem de massa (%) presentes no defeito
esfoliação.........................................................................................................................40
Tabela V.3: Propriedades mecânicas médias do aço P409A...........................................57
xi
LISTA DE NOTAÇÕES
• AISI - American Iron and Steel Institute;
• AOD - Argon Oxygen Decarburization;
• AMIB - ArcelorMittal Inox Brasil;
• BF - Bobina laminada a frio;
• BQ - Bobina laminada a quente;
• FP - Forno Panela;
• IK - Fator de Kaltenhauser;
• LC - Lingotamento Contínuo;
• MEV - Microscópio Eletrônico de Varredura;
• TS - Trimming Station;
• VOD - Vaccum Oxygen Decarburization;
• r - Coeficiente de Lankford;
•
r
- Coeficiente de Anisotropia Normal;
•
r
Δ - Coeficiente de Anisotropia Planar;
•
w
ε
- Deformação Verdadeira na Largura;
•
t
ε
- Deformação Verdadeira na Espessura;
• W – Largura Instantânea;
• Wo – Largura Inicial;
• t – Espessura Instantânea;
• t
o
– Espessura Inicial.
xii
RESUMO
O aço inoxidável é consagrado pela sua beleza e resistência a corrosão. O aço
inoxidável ferrítico, sem adição de níquel, é responsável pelo aumento da demanda
mundial, devido às vantagens econômicas em relação aos austeníticos.
Na indústria automobilística, principalmente nos sistemas de exaustão de automóveis,
são utilizados os aços inoxidáveis ferríticos estabilizados ao titânio e/ou nióbio, com
baixos teores de carbono e nitrogênio, com elevada resistência à corrosão. O aço AISI
409, que corresponde ao aço P409A conforme normalização interna na AMIB
(ArcelorMittal Inox Brasil), é o mais utilizado nos sistemas de exaustão.
Um dos desafios para a produção do aço inoxidável P409A é a obstrução da válvula
submersa durante o processo de lingotamento na aciaria o que acarreta na perda da
qualidade das placas.
Neste trabalho, foram analisadas as válvulas que apresentaram obstrução e constatado a
presença de óxidos de titânio (TiO
2
), de alumínio (Al
2
O
3
) e de magnésio (MgO). Após o
levantamento dos óxidos presentes nas válvulas submersas, foram feitas correlações
entre os teores de Ti, Si e da relação Si/Ti versus o índice de obstrução, visando obter
uma faixa ótima de composição química que possibilitasse uma melhora na
lingotabilidade do aço.
Foi constatado que relação Si/Ti maior do que 3,5 reduz drasticamente a ocorrência de
obstrução nas válvulas submersas e, como conseqüência da melhoria da lingotabilidade
do aço P409A, foi reduzido o índice de esmerilhamento de placas de 43,1% em 2006
para 27,9% em 2009 e reduzido o índice de desvio por esfoliação em bobinas laminadas
a frio de 1,9% em 2006 para 0,5% em 2009.
Visando garantir a qualidade intrínseca do material foram analisadas a microestrutura,
micropureza, anisotropia e propriedades mecânicas do aço P409A e não foram
constatadas alterações nas mesmas após as modificações propostas na composição
química.
xiii
ABSTRACT
Stainless steels are known for their beauty and corrosion resistance. Ferritic stainless
steels, without nickel, are responsible for the increase the consumption of stainless
steels in the world, due to the economic advantage as compared to austenitic stainless
steels.
In the automobile industry, more specific in the car’s exhaust system, the use of ferritic
stainless steels stabilized with titanium and/or niobium, with low carbon and nitrogen
contents and good corrosion resistance, is very common. The AISI 409 steel,
corresponding to the P409A steel in the internal ArcelorMittal Inox Brazil
normalization, is the most used steel in the exhaust system.
During the casting of P409A steels, a frequent problem is the clogging of the submerged
entry nozzle. This clogging affects productivity and quality of the steel.
In the present work, submerged entry nozzles presenting clogging were analyzed.
Titanium (TiO
2
), aluminum (Al
2
O
3
) and magnesium oxides (MgO) were detected in
these nozzles. The effects of Ti and Si contents and of the Si/Ti ratio on the occurrence
of nozzle clogging were then investigated.
It was determined that Si/Ti ratio inferior than 3.5 significantly reduced nozzle clogging
and improved the castability of the P409 steel, without affecting its the microstructure,
cleanliness, anisotropy and mechanical properties.
The improvement in the castability lead to a reduction in slab grinding index from 43.1
% in 2006 to 27.9 % in 2009 and also in the deviation in cold rolling due to skin
lamination from 1.9% in 2006 to 0.5% in 2009.
1
1 INTRODUÇÃO
Os aços inoxidáveis surgiram de estudos realizados pela Krupp Stahl em 1912 na
Alemanha, sendo que, até 1950 a produção mundial não passava de 1 milhão de
toneladas/ano. Atualmente os aços inoxidáveis fazem parte do nosso cotidiano,
chegando à marca de 27,8 milhões de toneladas/ano em 2007 (ISSF, 2008). Desde seu
advento, é consagrado pela sua beleza e resistência à corrosão.
Os aços inoxidáveis ferríticos, sem adição de níquel, são responsáveis pelo aumento da
demanda mundial, devido às vantagens econômicas em relação aos austeníticos em
muitas aplicações, como por exemplo, linha branca e indústria automobilística.
Na indústria automobilística, principalmente nos sistemas de exaustão de automóveis,
são utilizados os aços inoxidáveis ferríticos estabilizados ao titânio e/ou nióbio, com
baixos teores de carbono e nitrogênio, com elevada resistência à corrosão. O aço AISI
409, que corresponde ao aço P409A conforme normalização interna na AMIB
(ArcelorMittal Inox Brasil), é o mais utilizado nos sistemas de exaustão. Este aço tem
sido produzido pela AMIB desde 1984.
Um dos grandes desafios dos produtores mundiais do aço AISI 409 é o processo de
solidificação do mesmo, uma vez que devido a presença de titânio na sua composição
química e pela afinidade deste elemento pelo nitrogênio e oxigênio, ocorre a obstrução
da válvula submersa e, consequentemente, a interrupção do processo de lingotamento
contínuo, devido a formação de nitreto e óxido de titânio.
Neste trabalho foram realizados testes na metalurgia secundária (Forno Panela), através
da redução gradativa do teor de titânio e aumento do teor de silício, reduzindo assim a
obstrução da válvula submersa no lingotamento contínuo da ArcelorMittal Inox Brasil
e, consequentemente, reduzindo o esmerilhamento de placas do aço P409A. O processo
de esmerilhamento das placas e o índice de desvio pelo defeito esfoliação em bobinas
laminadas à frio é um indicador da qualidade da placa, ou seja, placa com uma boa
qualidade apresenta baixos índices de esmerilhamento e de desvios em bobinas
laminadas à frio.
2
2 OBJETIVOS
Este trabalho tem como objetivo geral a melhoria da lingotabilidade (relacionada com
variação de nível de aço no molde e com ocorrência de obstrução da válvula submersa)
do aço inoxidável ferrítico P409A na ArcelorMittal Inox Brasil.
Os objetivos específicos são:
- Reduzir a ocorrência de obstrução da válvula submersa;
- Reduzir o esmerilhamento de placas;
- Reduzir o índice de desvio por esfoliação em bobinas laminadas à frio.
3
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1 Aços Inoxidáveis
Os aços inoxidáveis são ligas à base de Fe contendo no mínimo 10,5% de Cr como
principal elemento de liga para torná-lo resistente à corrosão e oxidação, em condições
ambientais agressivas.
O cromo contribui para a formação de uma fina camada de filme passivo no aço, que o
protege contra o ataque corrosivo. Este filme é também conhecido como Camada
Passiva, sendo impermeável e insolúvel nos meios corrosivos usuais. Mesmo quando
rompido, esse filme se regenera em atmosfera oxidante, e mantém a capacidade de
proteção à corrosão (CARVALHO, 2000).
A figura 3.1 ilustra a formação da camada passiva nos aços inoxidáveis.
(a) (b) (c)
Figura 3.1: (a) Camada passiva – em azul celeste – sobre o aço inox impedindo a ação
do oxidante – esferas laranjas; (b) Rompimento da Camada Passiva, leve ação do
oxidante; (c) Repassivação quase que imediata. (CARVALHO, 2000)
Diversos outros elementos de liga, tais como: Ni, Mo, Mn, Cu, Ti, Si, Nb são
adicionados para melhorar suas características e propriedades metalúrgicas, físicas,
químicas e mecânicas, adequando-o às condições específicas de uso (CASTRO, 2005).
4
Dependendo da composição química e microestrutura, os aços inoxidáveis podem ser
classificados em diferentes grupos, dentre os quais, podem ser mencionados os
austeníticos, martensíticos e ferríticos.
Na figura 3.2 são mostrados os tipos de aços inoxidáveis e as suas principais aplicações.
Base
Fe11Cr
P430A
16Cr
P409A
Conformação
solda
P420A
Cutelaria
P430E
Estampagem
Profunda
P498A
Cutelaria
Profissional
P430H
Estampagem
P441A
Conformação
solda
P439A
Estampagem
solda
P316A
18Cr10N 2Mo
P444A
Conformação
solda
corrosão
P317A
Solda
Corrosão
P434A
Corrosão
P301A
Estrutural
P201A
Tubos
P202A
P304A
18Cr8Ni
P316B
Solda
corrosão
P304C
solda
P304B
P304S
P304N
P321A
solda
P310A
Oxidação
P410D
solda
abrasão
+0,2Ti
+0,4Nb
Estabilizados - Baixo (C+N)
+0,1Ti 0,5Nb
+2Mo
+0,2Ti 0,2Nb
+0,1Ti
+1Mo
+0,3C
1Cr
+0,2C
0,5Mo
1Cr
Estampagem
+1Ni
+1,5Cu
-1,5Ni
-1,5Ni
-2,5Ni+7Mn
-3Ni+2Mn0,1N
-C
-C
+0,2Ti
+7Cr10Ni
+1Mo1Ni1Cr
+0,3Ni
Ferríticos
Austeníticos
Martensíticos
(Cr,Ti,Nb,Mo)
(Cr,Mo)
Cr
Aços Desenvolvidos pela ArcelorMittal Inox Brasil nos últimos 10 anos.
Figura 3.2: Tipos de Aços Inoxidáveis e suas Aplicações. (Documentos Internos da
ArcelorMittal Inox Brasil, 2008).
3.1.1 Aços Inoxidáveis Austeníticos
Os aços austeníticos contêm 18 a 30% de Cr para garantir a resistência à corrosão e 6 a
20% de Ni para garantir a estrutura austenítica à temperatura ambiente e melhorar a
resistência à corrosão. Estes aços são identificados como série AISI 300 e apresentam
elevada resistência à corrosão, excelente conformabilidade e boa soldabilidade.
5
Estes aços são utilizados em uma ampla gama de aplicações tais como: indústria
aeronáutica, química, naval, construção civil, alimentícia, caldeiraria, fabricação de
tubos, etc.
3.1.2 Aços Inoxidáveis Martensíticos
Os aços martensíticos contem 11 a 18% de Cr e C > 0,15%. Sua principal característica
é ser endurecível por tratamento térmico, pela formação de martensita quando aquecido
à temperatura de austenitização e resfriado à temperatura ambiente (operação realizada
no recozimento em caixa). Os aços martensíticos são geralmente utilizados em
aplicações que requerem elevada dureza e razoável resistência à corrosão. Aplicações
com soldagem e necessidade de elevada resistência à corrosão são fatores limitantes
para utilização destes aços.
3.1.3 Aços Inoxidáveis Ferríticos
Os aços inoxidáveis ferríticos são ligas de ferro e cromo, com teor de cromo de 11% a
27%, e baixo conteúdo de carbono e nitrogênio (LACOMBE,2000). Geralmente
possuem teor de carbono menor que 0,08% e cromo entre 13% e 18%, podendo sofrer
pequenas adições de nióbio, titânio, níquel e molibdênio (CASTRO,2005).
Não são endurecíveis por têmpera, pela ausência ou pouca formação de martensita no
resfriamento. Devido à ausência ou pouca adição de níquel, estes aços apresentam
competitividade de custo frente aos austeníticos. Em alguns casos os aços ferríticos
superam os austeníticos, como, por exemplo, na resistência à corrosão sob tensões, pois
o modo de deformação na estrutura cúbica de corpo centrado (CCC) é cruzado,
diferente da estrutura cúbica de face centrada (CFC) que é planar, isto é, existem muitos
sistemas de deslizamento atuando simultaneamente, o que impede um acúmulo de
deslocações num determinado plano, evitando com isso concentração de tensões.
Também são mais resistentes à fadiga térmica devido a seu baixo coeficiente de
expansão (CASTRO, 2005).
6
Na condição de estabilizado pela adição de nióbio, titânio ou pela associação dos dois
elementos, não há carbono e nitrogênio livre para a formação de martensita e as
propriedades de resistência à corrosão, soldabilidade e formabilidade são melhoradas.
Um aço está estabilizado quando todo o carbono e o nitrogênio encontram-se na forma
de carbonitretos de nióbio ou titânio (CASTRO, 2005).
Uma limitação dos aços ferríticos acontece nas aplicações criogênicas, devido a
temperatura de transição dúctil-frágil (LACOMBE, 2000).
Na figura 3.3, está destacado o domínio dos aços inoxidáveis ferríticos no diagrama de
fase Fe-Cr.
Figura 3.3: Diagrama Fe-Cr com destaque para o domínio dos aços inoxidáveis
ferríticos (LACOMBE, 2000).
O diagrama de Kaltenhauser, mostrado na figura 3.4, tem a finalidade de quantificar a
martensita possível de ser formada em aços ferríticos no resfriamento. Trata-se de um
balanço entre os elementos alfagênios e gamagênios (LACOMBE, 2000). Os números
7
distribuídos de 30 a 100, mostrados na figura 3.4, representam a porcentagem de ferrita
presente na estrutura do material.
Figura 3.4: Diagrama Kaltenhauser (LACOMBE, 2000).
A equação para cálculo do fator de Kaltenhauser para o aço 409, segundo documentos
internos da ArcelorMittal Inox Brasil, é dada por:
IK = %Cr + 6*%Si + 8*%Ti + 4*%Mo + 2*%Al – 40* (%C + %N
2
) – 2*Mn – 4*Ni –
2*Cu (3.1)
O fator de Kaltenhauser acima de 13 garante uma estrutura completamente ferrítica,
(CASTRO,2005; FARIA,2000).
3.1.3.1 Estampagem do aço inoxidável ferrítico
A estampagem implica simultaneamnte em deformações de tração e compressão. A
estampabilidade é melhorada reduzindo as deformações perpendiculares à espessura e
portanto, aumentando as deformações na largura (KARL,1977). A relação de
deformação r (Coeficiente de Lankford) é definida como a relação entre deformações na
espessura e na largura, ou seja, no ensaio de tração, a deformação da amostra no sentido
8
da força pode ser acomodada pela redução de espessura e/ou da largura no plano da
chapa (LABIAPARI, 2003):
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
==
o
o
t
w
t
t
W
W
r
ln
ln
ε
ε
(3.2)
Onde: ε
w
, ε
t
= deformação verdadeira (na largura e na espessura respectivamente);
W, Wo = largura (instantânea e inicial, respectivamente);
t, t
o
= espessura (instantânea e inicial, respectivamente).
As relações de deformação são usualmente medidas em um ensaio de tração uniaxial em
corpos de provas extraídos paralelos à direção de laminação, a 45º e 90º em relação à
mesma e são designados como r
0
, r
45
e r
90
,
respectivamente. Definem-se o coeficiente de
anistropia planar ∆r e coeficiente de anisotropia normal
r
como sendo
(LABIAPARI,2003):
r
= 0,25 x (r
0
+ 2r
45
+ r
90
) (3.3)
∆r = 0,5 x (r
0
+ r
90
- 2r
45
) (3.4)
A anisotropia normal
r
é assim chamada porque mede a resistência à deformação na
espessura da chapa. A anisotropia planar ∆r mede a variação de
r
entre as direções
longitudinal e transversal de laminação. Um coeficiente
r
= 1 indica que existe
igualdade entre resistência à deformação na largura e na espessura (LABIAPARI,2003).
Para
r
>1, significa que a chapa oferece maior resistência à deformação plástica na
espessura (SILVA, 1990). O que se deseja para um aço de boa estampagem é que este
tenha um elevado
r
(alta preferência de deformar-se no plano da chapa e pouco na
espessura) e um ∆r próximo de zero (mínimo de variação planar) (VIANA,2000).
9
3.1.3.2 Aço inoxidável ferrítico AISI 409
O aço AISI 409 é um aço inoxidável ferrítico estabilizado ao Ti. O titânio é o elemento
estabilizante mais comumente utilizado, formando precipitados como TiN, TiC e
Ti(C+N). Geralmente estes precipitados têm uma temperatura de dissolução muito
elevada, podendo chegar até a temperatura liquidus do aço (para o caso do TiN). Desta
forma, TiN age como sítio de nucleação para solidificação heterogênea, resultando em
estruturas de grãos finos (FARIA, 2006).
A indústria automobilística utiliza o aço AISI 409 em componentes do sistema de
exaustão, na forma de tubos ou cápsulas de catalisadores e silenciosos, conforme
mostrado na figura 3.5. A utilização deste aço nos automóveis nacionais foi motivada
pelas restrições impostas à emissão de poluentes, conforme mostrado na Tabela III.1.
Nestas aplicações, a utilização de aços carbono implica na contaminação dos alvéolos
do catalisador por produtos de oxidação, aumentando assim, a emissão de poluentes.
Tabela III.1 – Valores médios e limites máximos de emissão de poluentes para veículos
leves de passageiros (FARIA, 2006).
(a) Valores correspondentes à gasolina/diesel
(b) Emissão evaporativa de combustível
10
Figura 3.5: Sistema de exaustão de um veículo automotivo com os seus principais
constituintes (Fonte: Documentos Internos da ArcelorMittal Inox Brasil, 2008).
3.2 Fluxo de Produção dos Aços Inoxidáveis na AMIB
O fluxo de produção do aço inoxidável na ArcelorMittal Inox Brasil é mostrado na
figura 3.6.
Este trabalho tem o foco no processo de fabricação na aciaria, cujo produto são placas
de aço inoxidável. O fluxograma detalhado da produção na aciaria é apresentado na
figura 3.7.
11
Figura 3.6: Fluxo de produção do aço inoxidável na ArcelorMittal Inox Brasil
(Documentos Internos da ArcelorMittal Inox Brasil, 2008).
VOD
MRP-L
Gusa
Líquido
C= 4,5 %
P= 0,07 %
S=0,02 %
O
2
O
2
Vácuo
Ar/N
2
Ar/N
2
Pré-tratamento de Gusa
(PTG)
Forno
Elétrico a
Arco (FEA)
FeCr
líquido
Sucata
Ligas
Panela
Forno
Panela
Lingotamento
Contínuo
AOD-L
Ar/N2
O
2
Placas
Esmerilhamento
Figura 3.7: Fluxo de produção do aço inoxidável na aciaria da ArcelorMittal Inox Brasil
(Documentos Internos da ArcelorMittal Inox Brasil, 2008).
De forma sucinta, as duas rotas de produção do aço inoxidável na aciaria são:
12
Rota Duplex: Neste tipo de processo, cabe ao Forno Elétrico apenas a função de fundir
uma carga especialmente preparada, vazando um produto denominado aço inoxidável
semi-elaborado (pré-metal). As etapas de descarburação, refino (redução e
dessulfuração) e ajuste são realizadas em um equipamento de metalurgia secundária,
mais especializado para estas funções. Dependendo do equipamento utilizado, pode-se
ter os fluxos: Forno Elétrico – Convertedor (AODL) – Forno Panela ou Estação de
Tratamento (TS) e Lingotamento Continuo.
Rota Triplex: O objetivo do desenvolvimento do processo triplex foi combinar as
vantagens dos processos duplex somado a um processo a vácuo. De acordo com os
equipamentos utilizados, pode-se ter os seguintes fluxos: Forno Elétrico - Convertedor
(AODL ou MRPL) - Processo a Vácuo (VOD) - Forno Panela e Lingotamento
Continuo. Neste caso, o Forno Elétrico continuaria com sua função de fundir a carga,
com maior flexibilidade na escolha de sucatas e ferro-ligas, o Convertedor (AODL ou
MRPL) faria uma primeira descarburação, trazendo o teor de carbono a valores de
forma a não comprometer o rendimento de cromo e tornando mais rápido o processo no
VOD. Uma vantagem do uso do processo VOD é a obtenção de ultrabaixos teores de
carbono e nitrogênio nos aços inoxidáveis, principalmente nos aços estabilizados ao Ti
(409, 444, 439, 441).
Caso ocorra alguma anormalidade que possa afetar a qualidade superficial da placa, a
mesma é submetida a um esmerilhamento após o lingotamento contínuo.
3.3 Forno Panela
Muitos dos processos de metalurgia secundária são limitados devido ao balanço térmico
desfavorável. O decréscimo de temperatura nestes processos é um fator limitante à sua
aplicação.
O forno panela surgiu para suprir esta deficiência, gerando uma série de vantagens sobre
outros processos, e se tornando praticamente obrigatório em qualquer usina que deseja
fabricar aços de boa qualidade e baixos custos. O forno panela é basicamente um
pequeno forno a arco elétrico, onde a panela substitui a cuba do forno e a tampa
13
substitui a abóbada. Na maioria das instalações, a panela é colocada em um carro sobre
trilhos, que se move por baixo dos eletrodos e da tampa (abóboda), conforme figura 3.8.
Figura 3.8 – Representação esquemática de um Forno Panela (RIBEIRO, 2002).
A agitação do banho no forno panela da ArcelorMittal Inox Brasil é feita através de um
agitador eletromagnético e/ou injeção de gás inerte pelo plug poroso.
As principais finalidades do forno panela são:
• Homogeneização da temperatura e da composição química através da agitação
do banho;
• Controle preciso da temperatura e composição química do aço, economizando
em adições de ligas;
• Eliminação da etapa de refino, diminuindo o tempo de corrida e aumentando a
produtividade do forno primário;
14
• Possibilidade de vazamento do aço no forno primário em temperaturas mais
baixas aumentando a vida do revestimento refratário;
• Melhoria na limpeza do aço, eliminando inclusões e melhorando a qualidade;
• Garantia de corridas seqüenciais no lingotamento contínuo, aumentando a
produtividade da aciaria;
• Recuperação de corridas devolvidas do lingotamento por baixa temperatura,
diminuindo o índice de sucateamento de corridas;
• Viabilização da produção de novos tipos de aço, que antes não podiam ser
produzidos na aciaria;
• Maior flexibilidade de operação de uma aciaria.
3.4 Processo de Lingotamento Contínuo
O processo de lingotamento contínuo consiste basicamente de três sistemas
metalúrgicos, a panela, o distribuidor e o molde. A figura 3.9 mostra uma vista
esquemática do processo de lingotamento contínuo, incluindo os três sistemas
mencionados.
Dentro do processo de lingotamento, cada sistema tem uma função específica. A panela
é onde se faz a homogenização e acerto da temperatura do aço líquido, e a separação de
parte das macroinclusões. O controle da temperatura é importante, pois um
superaquecimento (diferença entre a temperatura de vazamento do aço e a temperatura
liquidus do aço) elevado pode causar ruptura do veio ou uma estrutura fortemente
colunar, que normalmente está associada a uma má qualidade interna (PEREIRA,
2004). Um superaquecimento muito baixo pode causar dificuldades no lingotamento,
devido à obstrução das válvulas de alimentação do aço. A uniformidade da temperatura
na panela é normalmente obtida através da agitação com nitrogênio ou argônio.
15
Figura 3.9 – Vista esquemática do processo de lingotamento contínuo (http://www.jfe-
21st-cf.or.jp/chapter_2/2j_2_img.html, 08 de outubro 2008).
O distribuidor, por sua vez, deve permitir o fornecimento de metal líquido ao molde
numa vazão tanto quanto possível constante, além de propiciar a separação das
inclusões. O controle da vazão que sai do distribuidor pode ser feito por um tampão ou
válvula gaveta. O distribuidor deve ter ainda uma capacidade que permita a troca de
panelas sem interrupção do lingotamento. Outro cuidado que se deve ter é fazer com
que a queda de temperatura do aço líquido no distribuidor seja mínima. O
superaquecimento no distribuidor deve ficar entre 5 e 20
o
C no caso do lingotamento de
placas, e entre 5 e 50
o
C no caso de lingotamento de tarugos (PEREIRA, 2004).
Na transferência do metal líquido do distribuidor para o molde deve-se buscar
minimizar a oxidação do metal e a incorporação de inclusões pelo material solidificado.
A utilização de válvulas submersas permite que isto seja conseguido, pois não há
contato do metal com o ar, e a turbulência na interface entre o metal líquido e o pó
fluxante é bem menor, diminuindo a probabilidade da incorporação de material
escorificado pelo metal líquido.
16
A figura 3.10 mostra um exemplo de válvula submersa com um ângulo de saída de 10º
para cima.
Figura 3.10 – Desenho esquemático de uma válvula submersa, com as dimensões em
mm (Documentos internos da ArcelorMittal Inox Brasil, 2008).
O molde é responsável pelo início da solidificação do aço, envolvendo a formação da
pele sólida. As características do molde (tipo de material e dimensões), as características
do pó fluxante, a profundidade e geometria da válvula submersa, além dos parâmetros
de oscilação (freqüência e amplitude) e a intensidade da agitação eletromagnética são os
principais parâmetros que devem ser controlados no molde.
Ao sair do molde, a placa apresenta cerca de 15 a 25mm de pele sólida, dependendo da
velocidade de lingotamento, temperatura de alimentação do aço e vazão de água no
molde. Essa pele solidificada é que sustenta o interior ainda líquido e permite a extração
da placa. A espessura da pele solidificada vai aumentando ao longo do veio, que é
17
envolvido por rolos guias montados em segmentos. Entre esses rolos são colocados os
conjuntos de bicos de spray (água e ar ou apenas água), que são os responsáveis por
promover a extração de calor da superfície da placa, contribuindo para completar a
solidificação (COSTA, 2003).
A figura 3.11 mostra um exemplo de um molde para lingotamento contínuo de placa.
Figura 3.11 - Desenho esquemático de um molde de lingotamento contínuo de placa
(ALVES,2008).
A figura 3.12 mostra esquematicamente as principais regiões do distribuidor e do
molde, com destaque para a válvula submersa.
18
Figura 3.12 – Visão esquemática das principais regiões do distribuidor e do molde, com
destaque para a válvula submersa (OLIVEIRA, 2003).
Além dos três sistemas apresentados acima, outros dispositivos fazem parte de uma
máquina de lingotamento contínuo. São eles: spray para o resfriamento secundário,
rolos extratores, máquina de corte, máquina de marcação automática e rebarbador.
O aumento da demanda por aços cada vez mais limpos tem promovido o
desenvolvimento de técnicas modernas para a remoção de inclusões do aço líquido, seja
na panela, no distribuidor ou no molde. Dessa forma, a máquina de lingotamento tem
19
um papel fundamental na qualidade do produto final, sendo considerada um dos
principais desenvolvimentos tecnológicos das últimas décadas na siderurgia mundial,
em virtude de aliar produtividade, rendimento, versatilidade e qualidade (COSTA,
2003).
Um aspecto importante para a qualidade de produtos lingotados é a presença de
inclusões. O próximo item trata das características destes materiais.
3.5 Inclusões
Inclusões são partículas presentes no aço líquido que durante a solidificação do mesmo
ficam retidas no sólido e que, em função de suas características, como, por exemplo,
tamanho ou composição química, influenciam diferentemente as propriedades do aço. A
presença destas inclusões pode ser desejável ou indesejável, dependendo da necessidade
de propriedades finais do aço.
As inclusões podem ser classificadas de diversas maneiras. As principais divisões estão
relacionadas com a composição química, com a origem das inclusões, com a
plasticidade e com o tamanho.
3.5.1 Composição química das inclusões
Em relação à sua composição química, as inclusões podem ser classificadas em
metálicas e não metálicas.
As inclusões metálicas são na forma de metal puro, como por exemplo, inclusões de
chumbo e cobre.
As inclusões não metálicas estão sob a forma combinada, como por exemplo, óxidos,
sulfetos, nitretos, fosfetos e carbonetos.
20
3.5.2 Origem das inclusões não metálicas
Em relação à sua origem, as inclusões podem ser classificadas como exógenas ou
endógenas.
As inclusões exógenas são de origem externa, resultante da entrada de escória
juntamente com o metal, da erosão mecânica do refratário do forno ou do material do
molde e de reações químicas entre o refratário do forno e o metal e/ou escória.
Por outro lado, as inclusões provenientes de reações no banho líquido são chamadas de
endógenas. Estas reações são normalmente as reações de desoxidação do aço.
3.5.3 Plasticidade das inclusões
Quando à plasticidade, as inclusões podem ser classificadas em:
− Deformáveis;
− Indeformáveis.
As inclusões deformáveis são conformadas mecanicamente seguindo a direção de
laminação do aço e as indeformáveis não são conformadas mecanicamente durante o
processo de laminação, prejudicando a estrutura interna do material (HAHNE, 1998).
3.5.4 Tamanho das Inclusões
Em termos de tamanho, as inclusões podem ser classificadas em três categorias:
− Submicroscópicas (menores que 1µm);
− Microscópicas (entre 1 µm e 100 µm);
− Macroscópicas (acima de 100µm).
A figura 3.13 mostra alguns exemplos das características das inclusões após o
lingotamento do metal e após a sua conformação mecânica.
21
Figura 3.13 – Exemplos das características de inclusões após o lingotamento e após a
laminação (RIBEIRO, 2002).
Se no processo de desoxidação do aço for produzida uma grande quantidade de
inclusões de alumina, pode se fazer uso da adição de ligas contendo cálcio para
possibilitar a formação de inclusões globulares de óxidos de alumínio e cálcio
(xAl
2
O
3
.yCaO). Dependendo da proporção entre alumina e cal (relação entre os valores
de x e y) podem ser produzidas inclusões com um reduzido ponto de fusão, que faz com
que as mesmas estejam no estado líquido na temperatura de tratamento do aço na
panela. Estas características facilitam a rápida flotação e absorção da inclusão pela
escória. Isto normalmente ocorre se as inclusões apresentarem um teor de CaO em torno
de 50%.
22
3.6 Desoxidação
O processo de desoxidação tem a finalidade de reduzir o teor de oxigênio dissolvido no
aço, sendo que este pode provocar porosidades e inclusões durante o processo de
solidificação.
A desoxidação ocorre através da adição de um elemento com alta afinidade pelo
oxigênio. Isto significa que a variação de energia livre da reação de oxidação deste
elemento a ser adicionado tem que ser mais negativa que a reação de oxidação do ferro.
As inclusões endógenas são relacionadas diretamente com os processos de desoxidação.
Desse modo, entender os fenômenos que ocorrem durante este procedimento de refino
siderúrgico é fundamental para a produção de aços com as mais diversas propriedades
requeridas. Na prática, a adição em seqüência de desoxidantes promove diferentes
teores de oxigênio dissolvido no banho até um nível mínimo constante. Para melhorar a
eficiência da desoxidação é necessário favorecer a cinética da reação pela redução do
potencial de oxigênio através da utilização de vácuo.
Há três categorias de desoxidação de aços (TURKDOGAN, 1996):
(i) Aços ressulfurados e desoxidados com liga ferro manganês para oxigênio residual
na faixa de 100 a 200 ppm;
(ii) Aços semi-acalmados:
a) Aços semi-acalmados, desoxidados com Si/Mn para oxigênio residual de 50 a 70
ppm;
b) Aços semi-acalmados, desoxidados com Si/Mn/Al para oxigênio residual de 25 a 40
ppm;
c) Aços semi-acalmados, desoxidados com Si/Mn/Ca para oxigênio residual de 15 a 20
ppm;
(iii) Aços acalmados ao alumínio para oxigênio residual na faixa de 2 a 4 ppm.
23
A desoxidação complexa com Si/Mn é análoga à reação de desoxidação combinada de
Al seguido por Ca. Ambos Mn e Ca têm por finalidade modificar quimicamente os
compostos da desoxidação para formar inclusões líquidas (TURKDOGAN, 1996;
MARCON, 2007).
Uma melhor compreensão da desoxidação do aço pode ser obtida quando associada com
a variação de energia livre molar. XIAOBING (2004), lista em seu trabalho as
principais reações de desoxidação, que estão apresentadas na tabela III.2.
Tabela III.2 - Principais reações que ocorrem na desoxidação do aço e sua respectiva
ΔG° (Xiaobing, 2004).
Reação Química
ΔG°(kJ/mol)
2 Al + 3 O = Al
2
O
3(l)
ΔG°= - 1225+0,393T
Ca + O = CaO
(l)
ΔG°= -491,14 + 0,1465T
Si +2 O = SiO
2(l)
ΔG°= - 576,44+0,218T
Mn + O = MnO
(l)
ΔG°= - 288,12+0,1283T
SiO
2(l)
+ 4/3 Al = 2/3 Al
2
O
3(l)
+ Si
ΔG°= -207.01+0.0324T
Essas reações são importantes para analisar as relações entre os elementos desoxidantes,
o oxigênio dissolvido no aço e o equilíbrio entre aço/escória e aço/inclusões.
O processo de desoxidação pode ser simples ou complexo. A desoxidação é dita simples
quando conduzida usando um desoxidante apenas e tem como produto de desoxidação
(inclusões) geralmente um óxido puro. A desoxidação é chamada complexa quando
mais que um desoxidante é empregado. Neste caso, o produto de desoxidação é uma
solução de óxidos na qual a atividade de cada componente óxido é menor do que 1
(CHOUDHARY et al, 2002). Assim, grandes quantidades de oxigênio podem ser
retiradas do banho usando menores teores de desoxidantes quando comparado com a
desoxidação simples. A desoxidação complexa é uma ferramenta importante para a
24
modificação química e morfológica das inclusões. Além disso, é possível obter produtos
de desoxidação líquidos, que têm certas vantagens em relação aos produtos sólidos
(TURKDOGAN, 1996; MARCON, 2007).
Conhecer as práticas de desoxidação e seus efeitos é importante para controlar os tipos,
as características físico-químicas e a quantidade de inclusões formadas. O controle da
desoxidação também é importante para garantir a produtividade na aciaria, bem como
prover a adequada limpeza ao aço, característica essa ligada diretamente ao conceito de
qualidade do aço (TURKDOGAN, 1996).
O aço inoxidável P409A na ArcelorMittal Inox Brasil é um aço semi-acalmado
desoxidado pelo Si/Ca, pois aços desoxidados com alumínio apresentam uma maior
probabilidade de obstrução da vávula submersa durante o processo de lingotamento
contínuo e desoxidar através da adição do manganês aumenta o custo de fabricação do
mesmo.
3.7 Obstrução da Válvula Submersa no Lingotamento Contínuo
O processo de obstrução da válvula submersa está associado à redução da vazão e/ou
interrupção da passagem de aço do distribuidor para o molde. Este fenômeno pode gerar
as seguintes conseqüências:
− Redução da produtividade na aciaria;
− Aumento do custo de produção do aço;
− Redução da qualidade interna das placas.
Segundo RACKERS (1995), existem quatro mecanismos de obstrução de válvula
submersa:
− Obstrução por efeito térmico;
− Obstrução proveniente da desoxidação;
− Obstrução de óxidos complexos;
− Obstrução devido a produtos de reação.
25
Em linhas gerais, a obstrução proveniente da desoxidação, óxidos complexos e produtos
de reação podem ser classificadas como obstrução por efeito químico. Resumindo,
pode-se considerar apenas dois mecanismos: obstrução por efeito térmico e/ou
químico.
A figura 3.14 ilustra as diferentes intensidades de obstrução da válvula submersa.
(a) (b) (c)
Figura 3.14 – Esquema das diferentes intensidades de obstrução da válvula submersa;
(a) Válvula submersa sem obstrução; (b) Com obstrução total; (c) Com obstrução
parcial (HAHNE, 1998).
3.7.1 Obstrução da válvula submersa por efeito térmico
A obstrução por efeito térmico é causada pelo baixo superaquecimento do aço e/ou pela
grande extração de calor durante o processo de lingotamento, provocando uma
solidificação do metal na válvula submersa.
Para evitar a obstrução por efeito térmico é necessário ter um controle da temperatura
no distribuidor. A utilização de escória sintética para cobertura do distribuidor durante o
processo de lingotamento minimiza a perda de temperatura. Caso a mesma se encontre
abaixo da temperatura especificada para lingotamento do aço, é necessário aumentar a
velocidade de lingotamento para evitar uma solidificação pré-matura do metal na
válvula submersa com a conseqüente interrupção do seqüencial.
26
3.7.2 Obstrução da válvula submersa por efeito químico
A obstrução da válvula submersa por efeito químico envolve principalmente duas etapas
(HAHNE, 1998). Na primeira etapa, forma-se uma camada compacta de óxidos devido
à reação entre alguns elementos presentes no aço com o material refratário, como por
exemplo, a redução do MgO através do Al na reação 3.5 (CARVALHO et. alii, 1977).
3 MgO
(l)
+ 2 Al = Al
2
O
3(s)
+ 3 Mg ΔG° = 67668 – 32,16 T
(J/mol)
(
( 3.5)
Na segunda etapa no mecanismo de obstrução, as inclusões são depositadas e
acumuladas sobre esta camada de óxidos. Este processo envolve a ocorrência de
diferentes fenômenos:
− Adesão e acumulação das inclusões suspensas no metal líquido na parede da
válvula submersa;
− Formação de inclusões não metálicas (Al
2
O
3(s)
) por reação entre o metal líquido
e o material refratário da válvula submersa;
− Precipitação de óxidos (alumina, óxido de titânio, óxido de cálcio, entre outros)
pela queda de temperatura nas proximidades com a parede de refratários;
− Formação de óxidos através da reação com o ar difundido através da parede da
válvula submersa e no encaixe entre a válvula submersa e o distribuidor.
Segundo HAHNE (1998), os dois últimos mecanismos têm uma pequena probabilidade
de acontecer desde que haja uma boa vedação entre a válvula submersa e o distribuidor
e que o primeiro mecanismo mencionado é a principal origem da obstrução de válvulas
submersas. O segundo mecanismo tem grande importância no inicio do lingotamento
(HAHNE, 1998), pois durante a passagem de aço pela parede do refratário, o alumínio
dissolvido do aço é oxidado formando alumina, que gradualmente é depositada nas
paredes da válvula submersa (CRAMB et al, 2003).
Os principais fatores que influenciam a obstrução das válvulas submersas são: os
métodos de desoxidação, a composição química e a temperatura do aço, a composição
do refratário da válvula submersa e a passagem de escória da panela para o distribuidor.
27
A tabela III.3 mostra os principais fatores e as contramedidas para evitar as obstruções
de válvulas (OGIBAYASHI, 1995).
Tabela III.3 – Fatores que influenciam e contramedidas a obstrução de válvulas
submersas (OGIBAYASHI, 1995).
Fatores Influentes Contramedidas Mecanismo da
contramedida
Método de desoxidação Conversão do produtos de
desoxidação em compostos
de baixo ponto de fusão (*)
Decréscimo da força
atrativa da tensão
interfacial.
Pureza do aço Desgaseificação do aço ou
flotação das inclusões. (*)
Decréscimo da freqüência
de adesão de produto da
desoxidação
Injeção de argônio Injeção de argônio através
da parede da válvula
submersa (*)
Decréscimo da freqüência
de adesão de produto da
desoxidação
Temperatura do aço Controle de temperatura no
distribuidor (*)
Prevenção da solidificação
do aço na válvula
Composição do refratário
da válvula submersa
Decréscimo de SiO
2
na
composição do refratário
Prevenção na formação de
alumina na superfície de
trabalho
Geometria da válvula
submersa
Eliminação da separação
de fluxo na válvula
submersa
Decréscimo da freqüência
de adesão de produtos da
desoxidação
Rugosidade da parede
interna da válvula
submersa
Redução da rugosidade
interna da válvula
submersa
Decréscimo da freqüência
de adesão de produtos da
desoxidação.
Obs: (*) contramedidas efetivas
As contramedidas efetivas são operacionais e de mais fácil controle, uma vez que para
mudar os demais itens, é necessário alterar o projeto da válvula submersa.
28
3.7.3 Mecanismo de obstrução da válvula submersa em aços inoxidáveis
estabilizados ao titânio
A presença do elemento titânio aumenta a tendência de obstrução de válvula submersa,
através da deposição de óxidos, restringindo a passagem de aço do distribuidor para o
molde, provocando a variação do nível de aço no molde, redução da velocidade de
lingotamento e, em alguns casos extremos, a paralisação do lingotamento.
As figuras 3.15 e 3.16 indicam que os materiais encontrados nas válvulas submersas dos
aços estabilizados ao titânio são, principalmente, Al
2
O
3
, MgO, TiN e TiO
2
, provenientes
da passagem de escória do distribuidor para o molde e da reoxidação do aço.
A reação 3.6 (CARVALHO et. alii, 1977) mostra a formação de TiN, principal
constituinte encontrado nas obstruções das válvulas submersas.
Ti
(l)
+ N = TiN
(l)
∆Gº = - 249354 + 37,07 T (J/mol) (3.6)
Parte dos precipitados de TiN reage com oxigênio presente no ar atmosférico ou no aço
formando em TiO
2
(GAO, 1993), segundo a reação abaixo:
TiN
(s)
+ 2O = TiO
2(s)
+ N ΔGº = - 332346 + 100, 60 T (J/mol) (3.7)
O logaritmo da constante de equilíbrio é dado por:
log (h
N
/h
(O)
2
) = - 5,255 + (17360 / T) (3.8)
Assumindo TiN e TiO
2
sólidos puros.
Pela definição de ∆Gº = ∆Hº - T.∆Sº, observa-se nas equações acima que o valor de ∆Hº
é negativo, portanto, as reações são exotérmicas. Pelo principio de Le Chatelier, quando
a reação é exotérmica, a redução de temperatura irá favorecer a formação de produtos e,
consequentemente, ocorrerá a obstrução da válvula submersa devido à formação de
TiO
2
.
29
De acordo com GAO (1993), as medidas efetivas para reduzir a deposição de materiais
na válvula submersa em aços estabilizados ao Ti são:
− Reduzir o teor de nitrogênio no aço para evitar a formação de TiN, conforme
reação 3.6;
− Minimizar a reoxidação do aço durante o processo de lingotamento para evitar a
formação de espinélio (Al
2
O
3
.MgO) e óxido de titânio (TiO
2
);
− Minimizar a queda de temperatura do aço no distribuidor.
A figura 3.15 ilustra a morfologia do nitreto de titânio encontrado na obstrução no aço
409.
A figura 3.16 ilustra a presença da partícula de espinélio (Al
2
O
3(s)
e MgO
(s)
) na
superfície do cubo de TiN.
Figura 3.15 – Morfologia do TiN encontrado na obstrução do aço 409 ( CRAMB et. alii,
2003)
30
Figura 3.16 – Partícula de espinélio presente na superfície do cubo de TiN (CRAMB et
alii, 2003)
Segundo documentos internos da ArcelorMittal Inox Brasil, para reduzir a incidência de
obstrução em corridas do aço P409A é importante manter o produto (%Ti x %N) < 30 x
10
-4
, visando garantir uma boa fluidez do aço.
O processo de obstrução da válvula submersa, além dos problemas operacionais,
acarreta a perda da qualidade das placas lingotadas e, por conseqüência, a geração de
defeitos em bobinas laminadas a quente e laminadas a frio, sendo mais comum o defeito
chamado esfoliação.
3.8 Esfoliação no aço AISI 409
A esfoliação está relacionada com a presença de inclusões não metálicas que afloram à
superfície da tira laminada a frio ou laminada a quente, com ou sem escamações, com
dimensões variáveis, que podem chegar a um metro na fase de BQ (bobina laminada à
quente) e a três metros em BF (bobina laminada à frio). A esfoliação apresenta-se
31
orientada segundo a direção de laminação e localização aleatória ao longo da bobina
(Documentos internos da ArcelorMittal Inox Brasil, 2008).
A presença destas inclusões está normalmente associada a:
− Obstrução da válvula submersa;
− Variação do nível de aço no molde ou no distribuidor durante o lingotamento,
causando o arraste de escória para dentro da placa solidificada;
− Arraste do pó fluxante para a placa solidificada no ínicio ou no final do
lingotamento.
A figura 3.17 mostra o defeito esfoliação em uma bobina laminada à frio na
ArcelorMittal Inox Brasil.
Figura 3.17 – Defeito esfoliação em BF no aço 409 (Documentos internos da
ArcelorMittal Inox Brasil).
32
4 METODOLOGIA
Neste capítulo será apresentada a metodologia para desenvolvimento do trabalho. Este
projeto foi composto de três etapas principais: análise das correlações entre composição
química do aço e a obstrução no lingotamento contínuo e composição química com o
defeito esfoliação em bobinas laminadas à frio, testes industriais visando reduzir esta
obstrução e análise da qualidade do aço P409A (limite de escoamento, limite de
resistência, dureza, alongamento, microestrutura, micropureza).
4.1 Análise da Válvula Submersa e do Defeito Esfoliação em BF
Para determinar quais óxidos estão presentes no defeito esfoliação em bobinas
laminadas à frio e na obstrução durante o processo de lingotamento continuo, foram
retiradas 2 e 4 amostras respectivamente, que apresentaram estas anormalidades.
A obstrução da válvula submersa é detectada pela analise das cartas gráficas durante o
processo de lingotamento, através da variação do nível do tampão no distribuidor, uma
vez que para manter o fluxo de aço constante do distribuidor para o molde, o tampão
abrirá para compensar o estrangulamento da válvula submersa pela obstrução. A figura
4.1 mostra uma carta gráfica do aço P409A com obstrução (linha azul) e variação de
nível de aço no molde (linha vermelha).
As análises da camada de óxido presente nas válvulas submersas e no defeito esfoliação,
com a respectiva composição química, foram feitas no MEV (Microscópico Eletrônico
de Varredura) no Centro de Pesquisa da ArcelorMittal Inox Brasil, equipamento Philips
XL30.
33
Figura 4.1 – Carta gráfica do processo de lingotamento contínuo do aço P409A na
ArcelorMittal Inox Brasil (Documentos internos da ArcelorMittal Inox Brasil, 2006).
A figura 4.2 representa uma válvula com obstrução.
Figura 4.2 – Válvula submersa, com destaque para a obstrução parcial
(material de coloração mais clara). (Documentos internos da ArcelorMittal Inox Brasil,
2007).
34
4.2 Correlações Entre Composição Química do Aço P409A e Obstrução no LC e
Índice de Desvio por Esfoliação em BF
Foi verificada a influência do teor de silício, titânio e da relação Si/Ti versus obstrução
no lingotamento contínuo e índice de esfoliação em BF das corridas produzidas entre
janeiro de 2007 a maio de 2008, período com elevado índices de obstrução e
esmerilhamento de placas. Após as análises, foram propostos testes experimentais
alterando a composição química do aço.
4.3 Realização das Corridas Experimentais do Aço P409A
Os testes experimentais para o aço inoxidável ferrítico P409A foram programados na
metalurgia secundária, mais especificamente no Forno Panela da ArcelorMittal Inox
Brasil.
Segundo GAO (1993), para evitar a obstrução nos aços estabilizados ao titânio, deve-se
reduzir o teor de nitrogênio do aço, o que aumenta o seu custo de fabricação. Como no
aço P409A o teor de nitrogênio é de 80 ppm em média, a alternativa encontrada para
minimizar a formação de TiN e TiO
2
foi trabalhar na redução do teor de titânio do aço.
Desse modo, foram produzidas 10 corridas em cada etapa abaixo, no total de 20 corridas
experimentais:
− Acerto do teor final de Ti no aço através da relação de estabilização
)(*6 NCTi
+
≥
, garantindo a especificação mínima de Ti do aço pela norma
ASTM A240/ A240M -08;
− Alteração da granulometria do FeTi de 10 a 50 mm para 30 a 80 mm, visando
aumentar o rendimento de Ti, uma vez que a camada de escória do aço P409A
na ArcelorMittal Inox Brasil é de 200 mm e parte do material adicionado fica
aprisionado na escória, oxidando o titânio e, consequentemente, reduzindo o
rendimento da liga FeTi70.
35
A alteração na granulometria não influenciou a cinética de dissolução do FeTi, uma vez
que a temperatura de processo no FP é de 1610 ºC e o ponto de fusão da liga FeTi70 é
de aproximadamente 1100 ºC, conforme diagrama de fase para a liga Fe-Ti da figura
4.3.
Figura 4.3 – Diagrama de fase para a liga Fe-Ti (http://www.infomet.com.br/diagramas-
fases, 15 de dezembro de 2008).
Para garantir uma melhor desoxidação, foi aumentado o teor de Si no aço P409A.
Documentos internos da ArcelorMittal Inox Brasil afirmam que o Si é um indicador
indireto do grau de oxidação do banho, ou seja, quanto maior o teor de Si, menor será o
teor de oxigênio no aço.
As demais variáveis de processo no forno panela, inclusive o tempo de flotação de
inclusões com gás inerte após as adições, foram mantidas conforme prática padrão para
o aço.
36
Foram verificados, simultaneamente, os seguintes parâmetros durante o processo de
lingotamento continuo, através da analise das cartas gráficas de cada corrida
experimental:
− Abertura do tampão do distribuidor;
− Variação do nível de aço no molde.
No caso de aços estabilizados ao Ti, a abertura do tampão durante o lingotamento
contínuo é o limitador para a continuidade do processo, portanto, a variável mais
importante durante o lingotamento. As demais condições operacionais de lingotamento
foram mantidas conforme prática padrão da ArcelorMittal Inox Brasil.
4.3 Testes Laboratoriais
Visando garantir as propriedades intrínsecas do aço P409A, foram retiradas 9 amostras
das corridas experimentais que apresentaram relação de estabilização [Ti/(C+N)] entre
6,0 a 7,0 (baixa estabilização); 7,0 a 8,0 (média estabilização) e maiores que 8,0 (alta
estabilização), no total de 27 amostras de bobinas laminadas à frio na espessura de 1,5
mm, para testes laboratoriais (condição padrão e experimental) no Centro de Pesquisa
da ArcelorMittal Inox Brasil. As peças tinham 300 mm de comprimento e largura igual
à da bobina, conforme ilustrado na figura 4.4.
.
Figura 4.4 – Ilustração da amostra retirada para testes laboratoriais
Nos testes laboratoriais, as seguintes propriedades do aço P409A foram analisadas:
− Micropureza (analise dimensional das inclusões de óxidos e silicatos);
300 mm
Largura
37
− Anisotropia (
r
>1,0);
− Microestrutura (tamanho de grão do aço);
− Propriedades Mecânicas (limite de escoamento, limite de resistência, dureza e
alongamento).
Os corpos de prova para teste de tração foram preparados conforme mostrado na figura
4.5.
Figura 4.5 – Dimensões do corpo de prova para teste de tração no Centro de Pesquisas
da ArcelorMittal Inox Brasil
Os ensaios de tração foram realizados em uma máquina de tração do Centro de Pesquisa
da ArcelorMittal Inox Brasil, marca INSTRON, modelo 5583, com capacidade de 15
toneladas. Foram obtidos valores de limite de resistência, limite de escoamento,
alongamento, limite de ruptura nas três direções, ou seja, direção de laminação, 45º com
a direção de laminação e 90º com a direção de laminação.
Os ensaios de micropureza e microestrutura foram realizados em um analisador de
imagens (Fabricante – LECO), composto de um microscópio LEITZ DMRXE e do
“software” de análise IA3001, do Centro de Pesquisa da ArcelorMittal Inox Brasil.
38
Para determinação da dureza, foi utilizado o durômetro do centro de pesquisas da
ArcelorMittal Inox Brasil, marca INSTRON WOLPERT, modelo Testor 930.
A seguir, serão apresentados e discutidos os resultados obtidos no presente trabalho.
39
5 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Neste capítulo serão apresentados e discutidos os resultados obtidos ao longo do
desenvolvimento do projeto e das etapas 4.1 e 4.2. Inicialmente foi feita a análise das
válvulas submersas para verificação dos materiais presentes na obstrução do aço P409A.
Em seguida, foi alterada a sua composição química visando reduzir a formação de TiO
2
.
Finalmente, é feita uma discussão dos resultados e influência da alteração de
composição química nas propriedades intrínsecas do aço.
5.1 Analise das Válvulas Submersas e do Defeito Esfoliação em Bobinas
Laminadas a Frio
A figura 5.1 é um corte de uma válvula submersa que apresentou obstrução parcial
durante o processo de lingotamento contínuo, cujas corridas lingotadas foram 804538G
e 804539E do aço P409A.
Figura 5.1 – Válvula submersa com obstrução parcial durante o lingotamento do aço
P409A.
40
Foram retiradas quatro amostras dos materiais impregnados nas válvulas submersas.
Nestes materiais foram realizadas as análises químicas semi-quantitativas por
microscopia eletrônica de varredura (MEV) do Centro de Pesquisas da AMIB.
A tabela V.1 apresenta os resultados obtidos nas análises das válvulas submersas que
apresentaram obstrução durante o processo de lingotamento contínuo do aço P409A.
Tabela V.1 – Principais constituintes presentes na obstrução das válvulas submersas.
Elemento (% em massa)
Amostra
Ca Al Si Ti Na O C Mg
1 9,43 4,46 5,73 12,13 2,38 43,4 19,15 3,32
2 7,15 5,24 5,65 18,07 0,41 41,94 16,37 4,73
3 5,32 2,59 2,59 23,91 1,47 46,22 14,64 3,26
4 6,49 5,56 5,68 18,51 0,44 43,33 15,28 4,7
A tabela V.2 apresenta os resultados obtidos nas análises do defeito de esfoliação em
BF do aço P409A.
Tabela V.2 – Principais constituintes presentes no defeito esfoliação.
Elemento (% em massa)
Amostra
Fe Al Cr Ti O N Mg
1 2,34 0,92 1,14 62,73 31,8 0,00 1,08
2 2,66 0,00 1,53 80,96 0,00 14,85 0,00
Pela tabela V.1 conclui-se que a obstrução do aço P409A está associada à presença de
óxidos de titânio (TiO
2
), de alumínio (Al
2
O
3
) e de magnésio (MgO). O óxido de cálcio
(CaO), a sílica (SiO
2
) e o sódio (Na) são provenientes do pó fluxante usado durante o
processo de lingotamento. Na amostra 2 da tabela V.2 foi constatada a presença do
nitreto de titânio (TiN), o que confirma a teoria proposta por GAO (1993).
41
A figura 5.2 mostra a área analisada pelo MEV na amostra de número 3 da válvula
submersa.
Figura 5.2 – Área analisada da inclusão encontrada na válvula submersa do aço P409A
A figura 5.3 representa a área analisada do defeito esfoliação analisada pelo MEV na
amostra de número 2.
Figura 5.3 – Área analisada do defeito esfoliação em bobinas laminadas a frio do aço
P409A
42
5.2 Influência da Composição Química na Obstrução das Válvulas Submersas e na
Esfoliação em Produtos Laminados a Frio
A figura 5.4 mostra o efeito do silício na obstrução das válvulas submersas durante o
lingotamento contínuo, de acordo com o apêndice 1, mostrando que quanto maior o teor
de silício no aço, menor é a probabilidade da ocorrência de obstruções, uma vez que o
silício é um indicador indireto do grau de oxidação do banho.
41,3
21,1
8,0
3,3
2,9
2,5
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
0,30 a 0,35 0,35 a 0,40 0,40 a 0,45 0,45 a 0,50 0,50 a 0,55 0,55 a 0,60
% de Sílicio
% das Corridas com Obstrução
Melhor
Figura 5.4 – Influência do teor de silício na obstrução de válvula no lingotamento do
aço P409A (período: janeiro de 2007 a maio de 2008).
A figura 5.5 mostra o efeito do silício sobre o defeito de esfoliação em bobinas
laminadas a frio (BF), de acordo com o apêndice 2, confirmando a influência do teor de
silício no índice de esfoliação.
43
7,9
1,5
0,9
0,8
0,4
0,0
0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
0,30 a 0,35 0,35 a 0,40 0,40 a 0,45 0,45 a 0,50 0,50 a 0,55 0,55 a 0,60
% de Sílicio
% de Esfoliação em BF
Melhor
Figura 5.5 – Variação do índice de desvio por esfoliação em BF em função do teor de Si
(período: janeiro de 2007 a maio de 2008).
Com base nos gráficos acima, foi alterado o teor mínimo de silício no aço P409A de
0,30 % para 0,35%. Em corridas com teor de silício maior do que 0,35%, o índice de
desvio por esfoliação no aço reduz de 7,9% para 1,5%, aumentando o índice de
satisfação dos clientes internos e externos.
A figura 5.6 mostra o efeito do teor de titânio na obstrução no aço P409A, de acordo
com o apêndice 3, confirmando que o aço com maiores teores de titânio apresenta uma
maior ocorrência do fenômeno de obstrução no LC.
A figura 5.7 mostra o índice de desvio por esfoliação em BF, de acordo com o apêndice
4. Constata-se que não há uma correlação direta do defeito esfoliação com o teor de
titânio.
44
6,2
7,6
13,7
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
0,10 a 0,15 0,15 a 0,20 0,20 a 0,25
Faixa de Composição Química de Titânio (%)
% de Obstrução
Melhor
Figura 5.6 – Influência do teor de titânio na obstrução de válvula no lingotamento do
aço P409A (período: janeiro de 2007 a maio de 2008).
1,3
0,7
0,9
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
0,10 a 0,15 0,15 a 0,20 0,20 a 0,25
% de Titânio
% de Esfoliação em BF
Melhor
Figura 5.7 – Variação do índice de desvio por esfoliação em BF em função do teor de Ti
(período: janeiro de 2007 a maio de 2008).
45
Combinando os resultados anteriores, foi feita uma análise do efeito da relação %Si/
%Ti no aço sobre a ocorrência da obstrução da válvula submersa. Os resultados são
apresentados na figura 5.8, conforme apêndice 5. Observa-se que quanto maior a
relação Si/Ti, menor é a ocorrência de obstrução da válvula durante o processo de
lingotamento contínuo.
26,6
11,8
7,6
4,7
3,2
0,0 0,0
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
1,50 a 2,00 2,00 a 2,50 2,50 a 3,00 3,00 a 3,50 3,50 a 4,00 4,00 a 4,50 4,50 a 5,00
Relação Si/Ti
% das Corridas com Obstrução
Melhor
Figura 5.8 – Influência da relação Si/Ti na obstrução do aço P409A (período: janeiro de
2007 a maio de 2008).
Baseando nestes resultados, foi realizada a redução do teor de titânio do aço P409A,
visando aumentar a relação Si/Ti do aço e com isso diminuir a ocorrência de obstrução
da válvula submersa.
As figuras 5.9 e 5.10 mostram os histogramas da relação Si/Ti nos períodos de janeiro
de 2007 a maio de 2008 (antes das alterações de composição química do aço) e no
período de junho de 2008 a abril de 2009 (após as alterações de composição química do
aço), respectivamente.
46
0,0
1,7
17,3
42,8
28,4
8,4
1,1
0,2
0,0
98,7
99,8
100,0
100,0
90,2
61,8
19,0
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
0,0 a 1,5 1,5 a 2,0 2,0 a 2,5 2,5 a 3,0 3,0 a 3,5 3,5 a 4,0 4,0 a 4,5 4,5 a 5,0 Mais
Relação Si/Ti
Porcentagem das Corridas
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
Figura 5.9 – Histograma da relação Si/Ti no período de janeiro de 2007 a maio de 2008.
0,0 0,0
3,0
19,6
38,1
7,0
1,1
0,4
30,7
91,5
98,5
100,0
99,6
60,7
22,6
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
0,0 a 1,5 1,5 a 2,0 2,0 a 2,5 2,5 a 3,0 3,0 a 3,5 3,5 a 4,0 4,0 a 4,5 4,5 a 5,0 Mais
Relação Si/Ti
Porcentagem das corridas
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
Figura 5.10 – Histograma da relação Si/Ti no período de junho de 2008 a abril de 2009.
47
A média e o desvio padrão da relação Si/Ti de 2,89 e 0,45 (janeiro de 2007 a maio de
2008) foi alterada para 3,34 e 0,47 (junho de 2008 a abril de 2009) respectivamente,
reduzindo o índice de obstrução das válvulas submersas. A figura 5.11 é um corte de
uma válvula submersa sem obstrução durante o processo de lingotamento contínuo,
correspondente às corridas 901198B e 901199J do aço P409A.
Figura 5.11 – Válvula submersa sem obstrução, lingotamento do aço P409A com
relação de Si/Ti mais elevada.
A obstrução da válvula submersa afeta o índice de esmerilhamento: quanto menor a
obstrução, menor o índice de esmerilhamento das placas, pois se o material apresentar
obstrução e não for esmerilhado ocorrerá o defeito esfoliação no produto laminado a
frio e como conseqüência, o sucateamento do mesmo.
O aumento da relação Si/Ti foi efetuada no mês de junho de 2008. A figura 5.12
apresenta a evolução da mesma no aço P409A.
48
2,5
2,9
3,2
3,4
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
2006 2007 2008 Até Abril 2009
Relação Si/Ti
Melhor
Figura 5.12 – Evolução da relação Si/Ti no aço P409A
A figura 5.13 apresenta a evolução anual no índice de esmerilhamento de placas após o
aumento da relação Si/Ti no aço P409A, conforme apêndice 6.
43,1
39,1
31,9
27,6
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
2006 2007 2008 Até Abril 2009
% de esmerilhamento de Placas
Melhor
Figura 5.13 – Evolução do esmerilhamento de placas no aço P409A.
49
A figura 5.14 mostra a evolução na qualidade do produto laminado a frio em relação ao
índice de desvio por esfoliação (A35), de acordo com o apêndice 7.
1,9
1,1
0,6
0,5
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2006 2007 2008 Até Abril /2009
% de Desvio por A35 em BF
Melhor
Figura 5.14 – Índice de desvio por A35 em BF do aço P409A
A alteração da granulometria da liga FeTi70 de 10 a 50 mm para 30 a 80 mm,
juntamente com a alteração da relação Si/Ti, possibilitou um aumento no rendimento do
Ti nas corridas do aço P409A conforme gráfico 5.15 e de acordo com o apêndice 8.
O rendimento de titânio é calculado através da equação 5.1:
Rendimento de Ti = % de Ti final no aço x massa da corrida (kg) x 100 (5.1)
massa de Titânio adicionado no FP (kg)
50
51,0
54,3
54,6
58,7
46,0
48,0
50,0
52,0
54,0
56,0
58,0
60,0
2006 2007 2008 Até Abril 2009
% de Rendimento da liga FeTi
Melhor
Figura 5.15 – Evolução do rendimento da liga FeTi70 no aço P409A.
As figuras 5.16 e 5.17 mostram os histogramas da relação de estabilização Ti/(C+N) nos
períodos de janeiro de 2007 a maio de 2008 (antes das alterações de composição
química do aço) e no período de junho de 2008 a abril de 2009 (após as alterações de
composição química do aço), respectivamente.
Após as ações implementadas, a média e o desvio padrão da relação de estabilização
[Ti/(C+N)] de 10,64 e 1,93 (janeiro de 2007 a maio de 2008) foi alterada para 9,04 e
1,50 (junho de 2008 a abril de 2009) respectivamente, garantindo o atendimento em
100% das corridas com relação maior do que 6,0 para o aço P409A conforme ASTM
A240.
51
0,2
0,4
1,1
1,2
2,9
8,4
7,6
9,4
9,0
9,2
10,1
9,0
7,5
3,7
4,2
2,3
2,5
1,6
0,6
0,5
0,2
0,1
0,2
8,0
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
6 7 8 9 1011121314151617
Relação Ti/(C+N)
Porcentagem das Corridas
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
Figura 5.16 – Histograma da relação de estabilização Ti/(C+N) no período de janeiro de
2007 a maio de 2008.
0,0
2,6
4,1
7,4
9,6
11,9
13,3
11,9
8,5
4,4
3,7
3,0
1,9
0,7
0,4
0,0
0,7
0,0
15,9
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
18,0
6 7 8 9 1011121314151617
Relação Ti/(C+N)
Porcentagem das corridas
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
70,0
80,0
90,0
100,0
Figura 5.17 – Histograma da relação de estabilização Ti/(C+N) no período de junho de
2008 a abril de 2009.
52
5.3 Resultados Laboratoriais
Visando avaliar a qualidade intrínseca do material após as alterações na composição
química do aço, foram feitos testes laboratoriais no Centro de Pesquisa da ArcelorMittal
Inox Brasil.
As figuras de 5.18 a 5.21 mostram os gráficos do limite de escoamento, limites de
resistência, alongamento total e dureza respectivamente, para valores de estabilização
Ti/(C+N) entre 6,0 a 7,0; 7,0 a 8,0 e maiores do que 8,0.
239,5
239,7
244,8
180,0
190,0
200,0
210,0
220,0
230,0
240,0
250,0
260,0
6 a 7 7 a 8 > 8,0
Ti/(C+N)
Limite de Escoamento (MPa)
Figura 5.18 – Gráfico comparativo dos resultados laboratoriais do limite de escoamento
(MPa) do aço P409A.
53
410,2 405,7
405,8
380,0
390,0
400,0
410,0
420,0
430,0
440,0
6 a 7 7 a 8 > 8,0
Ti/(C+N)
Limite de Resistência (MPa)
Figura 5.19 – Gráfico comparativo dos resultados laboratoriais do limite de resistência
(MPa) do aço P409A.
38,1
40,0
38,6
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
6 a 7 7 a 8 > 8,0
Ti/(C+N)
Alongamento Total (%)
Figura 5.20 – Gráfico comparativo dos resultados laboratoriais do alongamento total
(%) do aço P409A.
54
67,0
66,5
64,6
58,0
60,0
62,0
64,0
66,0
68,0
70,0
6 a 7 7 a 8 > 8,0
Ti/(C+N)
Dureza (HRB)
Figura 5.21 – Gráfico comparativo dos resultados laboratoriais da dureza (HrB) do aço
P409A.
Pelas analises das figuras 5.18 a 5.21 constata-se que não há diferença significativa
entre as propriedades mecânicas do aço P409A em relação às variações da relação de
estabilização.
As figuras 5.22 e 5.23 apresentam as análises de micropureza das bobinas laminadas a
frio números 901529H3000B [Ti/(C+N) = 7,0 a 8,0] e 901528J2000B [Ti/(C+N) = 6,0 a
7,0], respectivamente. Pelas analises das imagens, constata-se que não há diferença
significativa entre as micropurezas dos materiais produzidos nas diferentes
estabilizações, apresentando nível de inclusões da ordem de 1,5 a 2,0, conforme
referência interna da AMIB para o aço P409A.
55
Figura 5.22 – Analise de micropureza da unidade metálica 901529H3000B [Ti/(C+N)
entre 7,0 a 8,0].
Figura 5.23 – Analise de micropureza da unidade metálica 901528J2000B [Ti/(C+N)
entre 6,0 a 7,0].
56
A figura 5.24 mostra os resultados de anisotropia planar para valores de estabilização
Ti/(C+N) entre 6,0 a 7,0; 7,0 a 8,0 e maiores do que 8,0. Constata-se que há uma
redução no valor de anisotropia (
r
) com a redução no valor da estabilização. Esta
redução não é preocupante uma vez que, conforme LABIAPARI (2003), com valores de
r
> 1,0, o material apresenta uma boa estampabilidade. Esta pequena variação no
r
é
devido a uma maior deformação dos grãos no material com relação de estabilização
menor do que 7,0, conforme se vê na figura 5.25.
1,3
1,4
1,6
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
6 a 7 7 a 8 >8,0
Ti/(C+N)
Anisotropia (rN)
Figura 5.24 – Resultado de anisotropia planar para diferentes estabilizações do aço
P409A.
O tamanho de grão médio das amostras analisadas com relação de estabilização
menores do que 7,0 foram de 7,90 conforme anexo 10, sendo que a norma ASTM A240,
exige o tamanho de grão para o aço P409A entre 5,0 a 9,0.
57
Figura 5.25 – Microestrutura do aço P409A para relação de estabilização menor do que
7,0.
A figura 5.26 mostra a microestrutura do aço P409A, para materiais com relação de
estabilização maior do que 7,0, demonstrando uma boa recristalização e tamanho de
grão médio igual a 7,02 conforme apêndice 10.
Figura 5.26 – Microestrutura do aço P409A para relação de estabilização maior do que
7,0.
58
A tabela V.3 apresenta os resultados médios e os respectivos desvios padrões de
propriedades mecânicas das corridas produzidas nos períodos de janeiro 2007 a maio de
2008 (antes das alterações de composição química do aço) e junho de 2008 a abril de
2009 (após as alterações de composição química do aço).
Tabela V.3 – Propriedades mecânicas média do aço P409A.
Período
Numero de
amostras
analisadas
LE 0,2 %
(MPa)
LR (MPa)
Al. Total
(%)
Dureza
(HRb)
Jan 07 a
maio 08
482
243,50 +
11,80
402,93 +
10,36
39,61 +
1,96
64,83 +
1,45
Junho 08 a
Abril 09
236
247,80 +
13,30
405,07 +
9,73
39,14 +
1,65
65,47 +
1,83
Pela analise da tabela acima, constata-se que não ocorreram alterações nas propriedades
mecânicas do aço P409A com a alteração na sua composição química.
59
6 CONCLUSÕES
Neste trabalho foi desenvolvido um estudo para reduzir o índice de obstrução das
válvulas submersas durante o processo de lingotamento continuo do aço P409A na
ArcelorMittal Inox Brasil.
Foi constatada presença de óxidos de titânio (TiO
2
), de alumínio (Al
2
O
3
) e de magnésio
(MgO) nas obstruções da válvula submersa e TiN no defeito esfoliação em BF.
Foi constatado que quanto maior o teor de Si e menor o teor de Ti final do aço, menor é
a ocorrência de obstrução no lingotamento continuo. Portanto, foi equacionada uma
nova relação Si/Ti, na qual se constatou que valores de relação Si/Ti maiores que 3,5
reduzem drasticamente a ocorrência de obstrução nas válvulas submersas. O aumento
do teor de Si final no aço e a alteração na granulometria da liga FeTi70 de 10 a 50 mm
para 30 a 80 mm possibilitou um aumento no rendimento da mesma de 51% em 2006
para 58,7% em 2009.
Como conseqüência da melhoria da lingotabilidade do aço P409A, foi reduzido o índice
de esmerilhamento de placas de 43,1% em 2006 para 27,9% em 2009 e reduzido o
índice de desvios por esfoliação em bobinas laminadas à frio de 1,9% em 2006 para
0,5% em 2009.
Não ocorreram alterações nas propriedades intrínsecas do aço (micropureza, limite de
escoamento, limite de resistência, alongamento total e anisotropia) após as alterações na
composição química, alteração no processo de adição e granulometria da liga FeTi70 no
Forno Panela, visando garantir a relação Si/Ti maior do que 3,5.
60
7 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
Fazer testes experimentais na Aciaria visando aumentar o rendimento da liga FeTi70 no
aço P409A através da raspagem de escória antes do processo de Forno Panela.
Produzir corridas do aço P409A através da rota Duplex (sem o processo de
desgaseificação no VOD), visando aumentar a flexibilidade de produção do mesmo na
aciaria da AMIB.
Correlacionar os índices de desvios por esfoliação e obstrução das válvulas submersas
com a relação Si/Ti nos demais aços inoxidáveis ferríticos estabilizados ao titânio e
nióbio.
Fazer uma análise estatística buscando determinar a variação das propriedades
mecânicas antes e após as alterações de composição química do aço P409A.
61
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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na ArcelorMittal Inox Brasil, 80 f. Timóteo, 2008.
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Engenharia, UFMG, Belo Horizonte, 1977.
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Seminário Inox 2000, Roças Novas-MG, 2000.
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2003. 119 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Metalúrgica) - Escola de
Engenharia, UFMG, Belo Horizonte.
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2006. 268 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Materiais) - Escola de Engenharia,
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62
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Physique, 2000, p. 437-462.
MARCON, L., Estudo da Evolução das Inclusões do Aço SAE 8620 com o Tratamento
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63
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13, 1995.
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Lingotamento Contínuo de Placas, 2003. 48 f. Trabalho Final de Curso (Graduação em
Engenharia de Materiais) - Escola de Engenharia, UFMG, Belo Horizonte.
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Transferência de Calor e da Solidificação no Distribuidor e na Máquina de
Lingotamento Contínuo, 2004. 133 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Materiais) -
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2
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v.36B, p.495-502, 2005.
SASAI, K.; MIZUKAMI, Y., Mechanism of Alumina Adhesion to Continuous Caster
Nozzle with Reoxidation of Molten Steel, ISIJ, v.41, n.11, p.1331-1339, 2001.
66
APÊNDICE
Apêndice 1:
Correlações para cálculo da porcentagem de Si versus obstrução.
Analises Estatística através do Programa SAI (Sistema de Acompanhamento do Inox)
Correlação para levantamento do volume inspecionado.
Correlação para levantamento do volume inspecionado que apresentou obstrução.
67
Apêndice 2:
Correlações para cálculo da porcentagem de Si versus índice de desvios por esfoliação
em bobinas laminadas a frio.
Analises Estatística através do Programa SAI (Sistema de Acompanhamento do Inox)
68
Apêndice 3:
Correlações para cálculo da porcentagem de Ti versus obstrução.
Analises Estatística através do Programa SAI (Sistema de Acompanhamento do Inox)
Correlação para levantamento do volume inspecionado que apresentou obstrução.
69
Apêndice 4:
Correlações para cálculo da porcentagem de Ti versus índice de desvios por esfoliação
em bobinas laminadas a frio.
Analises Estatística através do Programa SAI (Sistema de Acompanhamento do Inox)
70
Apêndice 5:
Correlações para cálculo da relação Si/Ti versus obstrução.
Analises Estatística através do Programa SAI (Sistema de Acompanhamento do Inox)
Correlação para levantamento do volume inspecionado que apresentou obstrução.
71
Apêndice 6:
Evolução do Índice de Esmerilhamento de Placas
Dados para o gráfico Media
2006
43,1
2007
39,1
2008
31,9
Até Abril 2009
27,6
Fonte: SIP (Sistema de Informação de Processo da ArcelorMittal Inox Brasil).
Apêndice 7:
Correlações para cálculo do índice de desvio por obstrução em bobinas laminadas à frio
por ano (2006 a maio de 2009).
Analises Estatística através do Programa SAI (Sistema de Acompanhamento do Inox)
Ano de 2006:
Ano de 2007:
72
Ano de 2008:
Até 31/05/2009:
Apêndice 8:
Evolução do Rendimento da Liga FeTi70:
Dados para o gráfico Anual
2003
34,0
2004
43,0
2005
49,0
2006
51,0
2007
54,3
2008
54,6
2009
58,7
Fonte: SIP (Sistema de Informação de Processo da ArcelorMittal Inox Brasil).
73
Apêndice 9:
Tamanho de grão médio da unidade metálica 901528J2000B com relação de
Estabilização Ti/(C+N) entre 6,0 a 7,0.
74
Apêndice 10:
Tamanho de grão médio da unidade metálica 901529H3000B com relação de
Estabilização Ti/(C+N) > 7,0.
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