3- Produtos Siderúrgicos - Parte III - A

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PRODUTOS SIDERÚRGICOS – PARTE III-A
5. Processo de Fabricação do Aço
 5.4 Etapa 4: Lingotamento
5. Processo de Fabricação do Aço
5.4 Etapa 4: Lingotamento
Na etapa de lingotamento o aço produzido na Aciaria é transformado de sua forma líquida para um material sólido na forma de lingote.
5. Processo de Fabricação do Aço
5.4 Etapa 4: Lingotamento
Ao passar do estado líquido para o sólido o aço sofre uma série de fenômenos que influenciarão suas propriedades mecânicas finais. 
Os principais fenômenos que acontecem são:
Formação de uma estrutura de solidificação
Contração de solidificação
Segregação
Tensões internas
Porosidades
5. Processo de Fabricação do Aço
5.4 Etapa 4: Lingotamento
 
A) Estrutura solidificada do lingote:
A solidificação inicia na superfície devido a maior extração de calor nessa região.
Ocorre a formação de pequenos núcleos do material solidificado que vão aumentando de tamanho à medida que a solidificação prossegue. Ao crescerem suficientemente as várias regiões solidificadas vão encontrando-se umas com as outras. 
Cada uma destas unidades recebe o nome de grãos os quais poderão ter diferentes formatos conforme a evolução e direção que ocorre a solidificação.
5. Processo de Fabricação do Aço
 
A) Estrutura solidificada do lingote:
A estrutura do lingote completamente solidificado apresenta essencialmente três regiões:
Zona coquilhada ou zona refrigerada (chill zone) : é uma faixa estreita de grãos orientados aleatoriamente na superfície. Grãos de pequeno tamanho.
Zona colunar: contém grãos alongados orientados na direção central (perpendicular as paredes do molde)
Zona equiaxial: grãos solidificados de forma aleatória de tamanho similar em todas as direções e de tamanho bem maior que os grãos formados na zona coquilhada.
Zona coquilhada
Zona colunar
Zona equiaxial
5.4 Etapa 4: Lingotamento
Dentritas: A solidificação dos grãos colunares formam dentritas (solidificação no formato de ramificações). 
5. Processo de Fabricação do Aço
5.4 Etapa 4: Lingotamento
 
A) Estrutura solidificada do lingote:
Observação: 
A estrutura solidificada denominada bruta de fusão não apresenta boas propriedades mecânicas devido a presença de micro-segregação (maior quantidade de impurezas) que ocorre entre as dentritas, além do elevado tamanho dos grãos principalmente no centro do lingote.
Quanto maior o tamanho dos grãos menor será a resistência e tenacidade do aço
5. Processo de Fabricação do Aço
 
B) Contração volumétrica durante a solidificação
Ao passar do estado líquido para o estado sólido ocorre uma contração natural para a grande maioria dos metais e ligas.
5.4 Etapa 4: Lingotamento: 
Metal puro
Liga metálica
5. Processo de Fabricação do Aço
 
5.4 Etapa 4: Lingotamento:
B) Contração volumétrica durante a solidificação
A contração volumétrica resulta em vazios no material ou em rechupe caso a contração se concentra na parte superior de um lingote.
No caso de lingotes (lingotamento convencional) para evitar que os produtos a serem obtidos apresentem esse vazio é realizado um corte na parte superior, o que ocasiona uma grande perda de material. 
5. Processo de Fabricação do Aço
 
5.4 Etapa 4: Lingotamento:
B) Contração volumétrica durante a solidificação
Para diminuir o tamanho do rechupe a parte superior do lingote é mantida aquecida por um tempo mais longo que é realizada através de um massalote.
No caso de uma peça fundida a contração de solidificação também ocorre. Neste caso para evitar que o vazio fique dentro de uma peça é colocado um alimentador que não faz parte da mesma mas que serve como uma reserva de líquido que abastece a peça. O vazio ficará dentro do alimentador e a peça não apresentará rechupe.
Massalote de material refratário
5. Processo de Fabricação do Aço
5.4 Etapa 4: Lingotamento 
C) Segregação: 
Segregação é a diferença de composição química que ocorre ao longo do produto solidificado devido a diferença de solubilidade de determinados elementos entre o estado líquido e o sólido .
Elementos como C, P e S apresentam esta característica, de modo que as propriedades entre superfície e núcleo serão diferentes ao longo do lingote
Obs. O fenômeno da segregação é facilmente observado quando congelamos uma garrafa de coca cola onde verifica-se partes mais escuras e partes mais claras
5. Processo de Fabricação do Aço
5.4 Etapa 4: Lingotamento 
C) Segregação: 
As barras e chapas de aço a serem produzidas pela Usina , mesmo após a etapa 5 (Laminação) apresentarão remanescentes do processo de solidificação, ou seja irão apresentar segregação (variação de composição entre o núcleo e a superfície e parte superior e inferior do lingote
O efeito da segregação é reduzido por uma maior velocidade de resfriamento, como ocorre no lingotamento contínuo
5. Processo de Fabricação do Aço
5.4 Etapa 4: Lingotamento
 
D) Tensões Internas:
Quando o material solidifica é criado um gradiente térmico (diferenças de temperatura entre regiões de uma mesma peça) entre superfície e núcleo.
Como a superfície solidifica mais rápido, a contração da região do núcleo é restringida pela superfície (já solidificada), gerando tensões. 
Se as tensões geradas forem excessivas poderão provocar trincas.
5. Processo de Fabricação do Aço
5.4 Etapa 4: Lingotamento
 
E) Porosidades: 
A maioria dos metais no estado líquido dissolve uma grande quantidade de gás., o que não ocorre no estado sólido.
Quando o metal solidifica parte do gás que estava presente no líquido fica retida formando bolhas no material sólido.
Para evitar o aparecimento de bolhas no aço, é realizada uma desgaseificação na etapa anterior (refino). Esta desgaseificação pode ser realizada a vácuo
A etapa de laminação posterior pode fechar as porosidades existentes no lingote. 
5. Processo de Fabricação do Aço
5.4 Etapa 4: Lingotamento 
O processo de lingotamento nas Usinas de aço pode ser realizado de duas maneiras:
Lingotamento convencional: (5% do aço produzido)
Lingotamento contínuo: (95 % do aço produzido
5. Processo de Fabricação do Aço
5.4 Etapa 4: Lingotamento
 
.
No lingotamento convencional o aço é vazado em lingoteiras (moldes permanentes) para produção de lingotes.
A utilização do lingotamento convencional é muito inferior a do contínuo devido à
Perda de 10 a 12% do aço devido ao rechupe (necessário cortar a região onde este vazio se encontra.
Maior segregação presente no lingote.
Maior custo do processo
Lingotamento Convencional
5. Processo de Fabricação do Aço
5.4 Etapa 4: Lingotamento
Lingotamento Contínuo: 
É o mais utilizado atualmente devido à
Elevada produtividade 
Menor custo operacional
Permite produção de lingotes com tamanho bem mais próximo ao produto semi-acabado final (menos operações /passes de laminação)
Maior aproveitamento do aço produzido (96 a 98%) por não apresentar o problema com rechupe.
Tipo de aço produzido: acalmado
Resfriamento mais rápido produzindo uma estrutura menos grosseira, menor segregação.
5. Processo de Fabricação do Aço
5.4 Etapa 4: Lingotamento
 
Lingotamento Contínuo: 
Vazamento do aço líquido em um molde de cobre refrigerado aberto no topo 
Início da solidificação da superfície com formação de uma “pele” .
Avanço da solidificação: aumento da espessura da pele (presença de um sistema de suportes de rolos para impedir a expansão). Presença de sprays para aumentar a velocidade de solidificação de forma controlada
Solidificação completa do “veio”
Corte do veio em tamanho adequado para a etapa posterior de laminação: placas, tarugos.
Inspeção
Vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=d-72gc6I-_E
5. Processo de Fabricação do Aço
5.5 Etapa 5: Laminação
 
 
5. Processo de Fabricação do Aço
5.5 Etapa 5: Laminação
 
 
A) Introdução
A Laminaçãoé o processo mais importante de conformação mecânica
Laminação é um processo de conformação no qual o material é forçado a passar entre dois cilindros que giram à mesma velocidade periférica, mas em sentidos opostos e espaçados entre si a uma distância menor que o valor da dimensão inicial do material a ser deformado. 
Ao passar pelos rolos de laminação o lingote de aço é transformado em chapas, tarugos, barras, perfis, tubos, etc.
5. Processo de Fabricação do Aço
5.5 Etapa 5: Laminação
 
 
A) Introdução
Ao passar entre os cilindros, surge uma tensão no produto em processamento o qual promove uma deformação plástica que resulta na redução da secção transversal e um aumento do comprimento
Obs. O processo de laminação apresenta alta produtividade, e o metal passa por vários passes (etapas) para atingir a redução de área desejada
5. Processo de Fabricação do Aço
5.5 Etapa 5: Laminação
A) Introdução
 
 
A etapa de laminação tem como objetivos: 
Transformar o lingote de aço em produtos capazes de serem utilizados por outras indústrias tais como barras, chapas, perfis, tubos, etc.
“Quebrar” a estrutura bruta solidificada refinando e uniformizando o tamanho dos grãos,
Caldear porosidades existentes no lingote
Produzir um aço mais resistente, dúctil e tenaz
5. Processo de Fabricação do Aço
5.5 Etapa 5: Laminação
 
B) Classificação
O processo de laminação pode ocorrer em altas temperaturas (Laminação a quente) ou em baixas temperaturas ou mesmo na temperatura ambiente (Laminação a frio)
Laminação a quente
Laminação a frio
5. Processo de Fabricação do Aço
5.5 Etapa 5: Laminação
 
 
Laminação a quente 
É realizada no início do processo, partindo de um lingote na forma de placa ou tarugo
A temperatura de trabalho se situa acima da temperatura de recristalização
B) Classificação 
O aço é laminado a quente em temperaturas da ordem de 900 a 1200ºC, deste modo reduzindo a resistência à deformação plástica (mais fácil para conformar), permitindo grandes reduções das secções transversais 
Em cada passe o material é recristalizado evitando o encruamento/endurecimento para os passes subsequentes
Vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=AuuP8L-WppI
5. Processo de Fabricação do Aço
5.5 Etapa 5: Laminação
B) Classificação
 
Laminação a frio
É realizada após a laminação a quente em temperatura abaixo da temperatura de recristalização geralmente na própria temperatura ambiente. 
Durante a laminação a frio ocorre uma aumento da resistência à deformação de modo que não é possível grandes reduções da secção transversal em cada passe como ocorre na laminação a quente. 
Para permitir uma sequência de passes de laminação a frio ela tem que ser intercalada com tratamentos térmicos de recozimento (recristalização), que restauram a ductilidade do material 
Em função destas características a laminação a frio é aplicada para as operações finais quando as especificações do produto indicam a necessidade de um melhor acabamento superficial e maior precisão dimensional.
5. Processo de Fabricação do Aço
5.5 Etapa 5: Laminação
 
C) Tipos de produtos obtidos por laminação
Chapas e bobinas
Muitas chapas disponíveis podem estar revestidas com uma proteção especial de Zn ou de Sn para proteção da corrosão
5. Processo de Fabricação do Aço
5.5 Etapa 5: Laminação
 
C) Tipos de produtos obtidos por laminação
Barras
5. Processo de Fabricação do Aço
5.5 Etapa 5: Laminação
C) Tipos de produtos obtidos por laminação
Fio máquina: 
Termo muito utilizado na indústria metal-mecânica e se refere ao produto genérico na forma de barras laminadas a quente (diâmetro na ordem de 5 a 20 mm) disponibilizadas na forma de bobinas. 
Serve de base para a produção de inúmeros outros produtos ou componentes por conformação a frio (comumente a trefilação) ou por usinagem. 
Os principais produtos obtidos a partir do fio máquina são os arames , cordoalhas, pregos etc. utilizados tanto para a construção mecânica quanto civil.
Fio máquina
Cordoalha
5. Processo de Fabricação do Aço
5.5 Etapa 5: Laminação
 
C) Tipos de produtos obtidos por laminação
Formatos estruturais / perfis
5. Processo de Fabricação do Aço
5.5 Etapa 5: Laminação
 
C) Tipos de produtos obtidos por laminação
Tubos sem costura
Vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=ztcEyel47Kg
6. Defeitos e Controles dos 
Produtos Laminados
Durante a etapa de lingotamento e de laminação podem surgir defeitos no produto obtido (chapas, barras, tubos, etc) os quais devem ser verificados na linha produtiva para evitar que sejam consumidos pelas demais indústrias. 
A) Porosidades internas: As porosidades podem ocorrer devido a presença de gases ou devido à contração de solidificação caso não sejam caldeados durante a laminação. Estes defeitos podem ser detectados através de Ultrassom
6. Defeitos e Controles dos 
Produtos Laminados
 
Marcas e Trincas superficiais: 
Estes defeitos podem ser originados devido a operação de laminação, presença de carepa, inclusões de materiais estranhos. 
A detecção destes defeitos pode ser realizada através de um Ensaio de partículas magnéticas, Eddy current (Correntes parasitas), ou Sistema Óptico.
Ensaio de partículas magnéticas: Magnaflux
Vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=qpgcD5k1494
6. Defeitos e Controles dos 
Produtos Laminados
 
Marcas e Trincas superficiais: 
Detecção por Ensaio de Eddy current ou Correntes parasitas
6. Defeitos e Controles dos 
Produtos Laminados
 
Detecção através de Sistemas óptico de verificação de defeitos
Marcas e Trincas superficiais: 
Parsytech 
Verifica defeitos superficiais em placas ou barras laminados a quente, laminados a frio ou revestidos 
6. Defeitos e Controles dos 
Produtos Laminados
 
C) Variação dimensional / Sobremetal
Variações dimensionais são normais nos produtos laminados, e portanto são especificadas tolerâncias. 
A norma de fabricação dos aços admite ou tolera defeitos superficiais até determinada profundidade.
Estes itens devem ser consideradas no projeto em termos de sobremetal.
6. Defeitos e Controles dos 
Produtos Laminados
 
C) Variação dimensional / Sobremetal
Exemplo de cálculo de tolerâncias dimensionais:
Conforme especificado pelo fabricante 
(Manual dos Aços Gerdau
6. Defeitos e Controles dos 
Produtos Laminados
 
C) Variação dimensional / Sobremetal
Exemplo de cálculo de tolerâncias dimensionais: Conforme especificado pelo fabricante (Manual dos Aços Gerdau