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Prof. Luiz Cláudio Cândido AÇOS ESPECIAIS – I (MET 410) AÇOS “ELÉTRICOS” (Siliciosos) - GO candido@em.ufop.br MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Grupo de Estudo Sobre Fratura de Materiais Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Grupo de Estudo Sobre Fratura de Materiais Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Grupo de Estudo Sobre Fratura de Materiais Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Grupo de Estudo Sobre Fratura de Materiais Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO E DO DESPORTO Universidade Federal de Ouro Preto Escola de Minas – Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais Grupo de Estudo Sobre Fratura de Materiais Telefax: 55 - 31 - 3559.1561 – E-mail: demet@em.ufop.br Sumário • Introdução • Histórico • Composição química • Fluxo de produção • Desenvolvimento da textura • Tipos de aços GO Introdução • Os aços siliciosos de grão orientado (GO) e de grão não orientado (GNO) são aços ligados ao silício para aplicações elétricas. • O aço silício GO possui as propriedades magnéticas otimizadas na direção de laminação, enquanto o GNO apresenta boas propriedades em qualquer direção; • O aço GO é utilizado em transformadores e o aço GNO é aplicado em geradores, motores, reatores e compressores de geladeiras. ESTRUTURA CRISTALINA SEM ORIENTAÇÃO DEFINIDA ESTRUTURA CRISTALINA ORIENTADA EM UMA DIREÇÃO DEFINIDA Isotrópico Anisotrópico Adequado para máquinas rotativas Adequado para transformadores de potência e distribuição AÇO SILÍCIO GNO AÇO SILÍCIO GO C A R A C T E R IZ A Ç Ã O AÇO SILÍCIO GO Característica principal: Apresentar excelentes propriedades magnéticas na direção de laminação, resultantes de uma forte orientação cristalográfica dos grãos. AÇO SILÍCIO DE GRÃO ORIENTADO Aplicação - Núcleo de Transformador Função do aço - condutor de fluxo magnético Propriedades: - alta permeabilidade - baixa perda de potência Anisotropia do Ferro Orientação Preferencial (110)[001] 30mm [110] Diagrama Fe-Si Efeito do teor de carbono na transformação de fase - no diagrama Fe-Si %Si % = 694(%C) -23(%Si) + 64,8 1926 Ruder mostrou que as direções das arestas do cubo da célula unitária eram mais facilmente magnetizadas, quando comparadas com as direções das diagonais do cubo e das faces. HISTÓRICO FÁCIL DIFÍCIL MÉDIA 1934 o americano Norman Goss obtinha a patente do método de produção do chamado aço ao silício de grão orientado. Tal método foi desenvolvido na Empresa ARMCO e consistiu basicamente de um processo de laminação a frio em dois estágios com um recozimento intermediário DIREÇÃO DE LAMINAÇÃO grão TEXTURA DE GOSS Direção transversal Direção de laminação Direção de fácil magnetização Plano diagonal do cubo 1981 foi produzida a primeira bobina de aço silício GO na América Latina, na “Acesita”, utilizando bobinas a quente importadas e sob assistência técnica da Armco. 1983 produção das primeiras bobinas na “Acesita” pelo processo integrado, ou seja, do minério de ferro ao produto acabado. Alto Forno Aciaria Laminação a Quente Laminação a Frio Acabamento Embarque Métodos de produção de aço silício GO Armco Nippon Steel Kawasaki C, Mn, S C, Al, N, Mn, S, Sn C, Mn, Se ou S, Sb Reaquec. 1400 C Reaquec. 1400 C Reaquec. 1400 C Recozimento Bq Recoz. Bq alta temperatura Recozimento Bq Primeira laminação Laminação a frio 87% Primeira laminação Recoz. Intermediário Recoz. Intermediário Segunda Laminação 50% Segunda Laminação 65% Descarbonetação Descarbonetação Descarbonetação Recozimento final Recozimento final Recozimento final Alivio tensão, revestimento Alivio tensão, revestimento Alivio tensão, revestimento ArcelorMittal Inox Brasil (Antiga ACESITA) Gusa Líquido Pré-tratamento de Gusa (PTG) Processo de produção de aço silício GO (ArcelorMittal Inox Brasil – Aciaria) Panela MRP-L O2 Ar/N2 Lingotamento Contínuo Forno Panela Energia Elétrica Placas Si=3% C=0,04% S=0,03% N=0,003% Mn=0,06% dessiliciação Oxidação C, P, Si, Mn Ajuste de Comp. Química e Temperatura Placa Aquecimento Descarepação Desbaste Bobina Bobinamento Acabamento Processo de produção de aço silício GO (ArcelorMittal Inox Brasil - Laminação a Quente) Permeabilidade: 1759 G/Oe Perda 17 kG 60 Hz: 1,784 W/kg Densidade de sulfetos: 1,2x105 part./ mm2 Posição – Cabeça Distribuição de sulfetos Microscópio Eletrônico de Varredura – 10.000 X Distribuição de sulfetos Microscópio Eletrônico de Varredura – 10.000 X Permeabilidade: 1869 G/Oe Perda 17 kG 60 Hz: 1,522 W/kg Densidade de sulfetos: 8,4x105 part./mm2 Posição – Cabeça Fluxo de Produção Grão Orientado PreparadoraBQ Linha de Recozimento e Decapagem Lam. Sendzimir Linha Reparação (15 fornos) Bobina de GO Linha de Descarburação Rec. em Caixa Revestimento Carlite Corte Longitudinal Embalagem Expedição 170.000 t /ano 180.000 t / anoCap. Máxima: 190.000 t / ano 77.000 t / ano Cap. Máxima: 38.000 t / ano 36.000 t /ano 40.000 t / ano 40.000 t / ano GO - 0,73mm GO - 0,27mm - Geração de núcleos de Goss; - Pequenas áreas livres de deformação, altamente orientadas {110}<001>. LAMINAÇÃO A QUENTE Primeira laminação a frio - Herança por memória da estrutura; - Estrutura deformada de orientação {111}<112>. Preparadora Recozimento e decapagem Laminador Sendzimir Bobina a quente Recozimento intermediário Formação preferencial de grãos (110)[001] dentro da matriz com orientação {hk0}<001> Recozimento e decapagem Laminador Sendzimir 2ª etapa de laminação a frio Segunda laminação a frio Estrutura deformada de orientação {111}<112> Recozimento e decapagem Laminador Sendzimir 2ª etapa de laminação a frio Descarbonetação e Recozimento Primário Grãos primários com orientação (110)[001] Bobina a frio Descarbonetação Forno em caixa Revestimento Carlite Recristalização Secundária • Em algumas circunstâncias uma estrutura recristalizada pode tornar-se instável e alguns grãos crescerem excessivamente consumindo os grãos recristalizados. Este processo é conhecido como crescimento anormal de grão. • Como o crescimento anormal de grão tem cinética semelhante à da recristalização primária e similaridades microestruturais com este processo, ele é conhecido também como recristalização secundária. • A força motriz para o crescimento anormal de grão é normalmente a mesma do crescimento normal: redução da energia de contorno de grão. Em materiais finos pode surgir uma força motriz adicional associada à variação da energia de superfície com a orientação. r F Zonde A Z RR AP V b a ab a b 1 • A força motriz para recristalização secundária é dada por: Onde: a = energia de interface entre os grãos secundários e os grãos da matriz b = energia de interface entre os grãos da matriz R = raio médio Ra= raio do grão que está crescendo Força motriz para crescimento de grão Condições para que ocorra recristalização secundária • Estrutura ideal: contornos de grão isentos de impurezas e energia de contorno de grão constante. Recristalização secundária não ocorre numa estrutura ideal, pois um grão muito grande tende a crescer mais devagar que o grão médio. Para que ocorra recristalização secundária ocrescimento de grão normal tem que ser inibido. Os principais fatores que levam ao crescimento anormal de grão são: partículas de segunda fase, textura e efeito da superfície. Efeito de partículas Condições para crescimento anormal • Recristalização secundária pode ocorrer numa liga em que o crescimento normal de grão tenha sido estagnado pelo efeito de uma dispersão de partículas; • A nucleação é o fator crítico, principalmente nas ligas contendo grande fração volumétrica de partículas. Os núcleos para recristalização secundária são grãos da matriz que tendem a crescer e atingir um tamanho crítico, a partir do qual o crescimento anormal é possível. Nucleação • Os núcleos na recristallização secundária do aço silício são grãos com orientação bem definida (110)[001], denominada orientação de Goss; • O início do processo de recristalização secundária está associado à dissolução e coalescimento das partículas, com diminuição da pressão de ancoramento; • Existem duas teorias que tentam explicar a recristalização secundária do aço silício: - modelo dos núcleos seletivos, com tamanho 2 a 3 vezes o tamanho médio de grão da matriz, proposto por Hillert; - modelo do crescimento seletivo, devido a vantagem de mobilidade dos contornos de grão. Crescimento seletivo • Dois modelos de crescimento seletivo têm sido discutidos recentemente: – Teoria dos contornos tipo CSL (rede de pontos de coincidência), de baixa energia; – Teoria dos contornos de alta energia, de alta mobilidade e alta taxa de coalescimento das partículas de inibidor. Contornos CSL Goss Contornos CSL Cristal 1 Cristal 2 CSL Bobina a frio Descarbonetação Forno em caixa Revestimento Carlite Diagrama esquemático de nucleação e crescimento preferencial dos grãos secundários de Goss num estágio incipiente durante a recristalização secundária. Após descarbonetação Após aquecimento a 980ºC Após aquecimento a 1100ºC Crescimento das partículas de Sulfeto de Manganês 10.000 X Direção de Laminação Figura de corrosão em um grão de pobre orientação, após recristalização secundária Direção de Laminação Figura de corrosão em um grão com orientação (110)[001], após recristalização secundária TIPOS DE AÇOS GO Aços GO regulares: produzidos pelos processos tradicionais, inicialmente desenvolvido por Goss. O produto final se caracteriza pelo fato da direção de fácil magnetização 100 apresentar um desvio em torno de 7 em relação à direção de laminação da chapa. A permeabilidade magnética é em torno de 1840 G/Oe. Aços GO de alta indução: são aços desenvolvidos por tecnologia das empresas japonesas, cujos processos se caracterizam pela utilização de outros tipos de inibidores de crescimento de grãos, tais como AlN, MnSe, B e Sb. O produto final se caracteriza pelo fato da direção de fácil magnetização 100 ter um desvio de apenas 3 a 4 em relação à direção de laminação da chapa. A permeabilidade magnética é em torno de 1900 G/Oe. Aços GO com refino de domínios magnéticos: produzidos a partir dos aços GO de alta indução, os aços GO DR são submetidos à uma etapa adicional de refino dos domínios magnéticos por raios laser, apresentando assim menores perdas magnéticas que os Hi-Grades. Figuras de polo (100) do aço silicio GO P17/50 (W/kg) 0,18 0,23 0,27 0,30 0,35 ESPESSURA (mm) 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 1,00 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 M-6 M-5 M-3H M-2H M-1H M-0H M-5 M-4 M-3 M-2H M-1H M-0H 30ZH 95 M-4 M-3 M-1H M-0H 27ZH100 27ZH 95 27ZDKH95 27ZH 90 27ZDKH90 30ZH100 M-3 M-2 M-1 23ZH100 23ZH 95 23ZDKH90 23ZDKH85 23ZDKH8018ZDKH80 GO regular Hi-Grade Refino domínio Em desenvolvimento AÇO GO - ANÁLISE COMPARATIVA Tipos de aços em conformidade com a Norma AISI Perda 17 kG e 60 Hz em função da espessura y = 2.9855x + 0.7876 R 2 = 0.8805 1.4 1.45 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 1.75 0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0.32 Espessura (mm) Pe rd a 17 k G 6 0 Hz (W /k g)
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