ANÁLISE DOS PARÂMETROS DE PROCESSO NA FORMAÇÃO DE DEFEITOS INTERNOS DE BLOWHOLES EM TARUGOS DE AÇO MÉDIO CARBONO

 D. J. R. Filho¹, B. S. Moreira¹, M. C. de Carvalho ¹ , C. F. Almeida ²

Fl. 17 Qd. 04 Lt. Especial. CEP: 68503-550 - Marabá – PA, Brasil.

¹ Universidade Federal do Pará   ² Siderúrgica Norte Brasil SA. (Sinobras)

RESUMO

O Lingotamento Contínuo de aços é um processo de fundição utilizado com a finalidade de aumentar a produtividade, economia de energia e mão de obra, pelo fato de ser um processo que favorece uma produção em larga escala, o mesmo fica sujeito a diversos defeitos no produto como os de forma, superfície e internos. Este trabalho analisou o defeito interno de bolhas tubulares “Blowholes",

relacionando aos efeitos operacionais em uma máquina de lingotamento continuo de tarugos produzidos em uma usina siderúrgica, a formação de defeitos de blowholes e sua influencia a qualidade dos produtos laminados. Observou-se doze corridas que apresentaram este defeito, verificando os fatores operacionais que influenciaram a formação e sucateamento de cerca de 1 corrida/mês. O objetivo deste trabalho é determinar os principais fatores operacionais na formação deste defeito e criar um plano de ação para reduzir a quantidade de sucateamento, melhorando a qualidade final dos produtos lingotados.

Palavras-chave: blowholes, lingotamento contínuo, parâmetros operacionais.

INTRODUÇÃO

O processo de lingotamento contínuo é um processo de transferência de calor, no qual o metal líquido é transformado via solidificação em um produto sólido semi-acabado. O processo é utilizado na produção de chapas e tiras de um grande número de ligas de metais não ferrosos, o qual é responsável por cerca de 90 % de todo aço produzido no mundo ⁽¹⁾.

O produto do processo de lingotamento contínuo é chamado de lingote, estese caracteriza por ser um material homogêneo físico e quimicamente, sem inclusões, cavidades, porosidade, entre outros. Pela impossibilidade de obter um lingote ideal no processo de solidificação, a grande importância no processo é estudar e conhecer as características da solidificação a fim de reduzir ao máximo a ocorrência de defeitos que podem ser classificados em internos, superficiais e de forma.

Quando surgem defeitos nos tarugos de lingotamento contínuo, surgem durante a fase de solidificação e resfriamento do aço, eles podem afetar a qualidade dos produtos acabados e, portanto, é importante que sejam corretamente identificados, para que sejam tomadas medidas corretivas para evitar a ocorrência de má qualidade ⁽²⁾. Os defeitos internos "internal defects" são em sua grande maioria oriundos de uma má formação na estrutura bruta de solidificação do lingote produzido em máquinas de lingotamento contínuo, sedo os mais conhecidos a porosidade interna, macro inclusões, Blowholes, Pinholes, trincas "off corner" etc ⁽³⁾.

Os defeitos de bolhas em tarugos produzidos por lingotamento contínuo são  conhecidos como Blowholes e Pinholes, ambos oriundos do desprendimento de gás do aço, conhecido como defeitos grosseiros, logo abaixo da superfície e bastantes comuns para todos os aços semi acalmados lingotados com óleo ⁽⁴⁾.

O presente trabalho tem por objetivo determinar os principais fatores operacionais na formação de defeitos internos de solidificação Blowholes em tarugos de aço médio carbono na siderúrgica Sinobras, verificando sua influência no processo de laminação do vergalhão para construção civil, bem como elaborar um plano de ação para redução do material sucateado com defeitos de Blowholes no processo de lingotamento contínuo em Aciaria Elétrica EAF.

MATERIAL E MÉTODOS

Material

                                                                      

O aço estudado foi o ABNT SAE 1024 obtida em forno elétrico EAF a partir da fusão de sucata e gusa líquido. Após a fusão e refino, o aço é tratado quimicamente em forno panela com adição de ligas e gases (nitrogênio e argônio). O mesmo é lingotado em máquina de lingotamento contínuo de 13 toneladas com 3 veios na faixa entre 1526 a 1565°C. Após completa solidificação é realizado corte, separação e inspeção da qualidade do material para o processo de laminação de vergalhões com bitolas variadas.

Tabela 1 – Composição Química do aço ABNT SAE 1024

Constituintes	C	Si	Mn	S	P	Cu	N	C Eqv.
Composição	0,22 - 0,28	0,15 - 0,30	0,60-0,90	0,00-0,05	0,00-0,05	0,00- 0,40	0,00-0,01	0,371

Parâmetros do Processo

Foram analisadas doze corridas que apresentaram blowholes na inspeção off line entre 20/04/2012 a 20/08/2012. Foram cortadas 2 peças de cada corrida nas quais foram submetidas a cortes transversais e  lixamento. Após a identificação dos defeitos foram feitas buscas das condições operacionais da produção das mesmas, verificando as seguintes características: Tempo elevado de processamento da corrida no Forno Panela; Baixa desoxidação do aço ( Nível de H,N,CO no aço ); Fatores externos favorecendo o excesso de gases no aço; Óleo de lubrificação do molde em excesso e/ou umidade no óleo; Tempo de secagem do distribuidor inadequado; Tempo de secagem da panela inadequado;

De acordo com as corridas que apresentaram blowholes pode-se verificar o grau de influencia do surgimento de defeitos no processo conforme Fig. 01.

   

Figura 1: Diagrama de Pareto das principais causas na formação de Blow holes

Tempo de secagem do distribuidor e da panela

O tempo de secagem do distribuidor é determinado pela natureza do material refratário projetado no mesmo e sua capacidade volumétrica. Devido as condições dos aquecedores utilizados não é possível um controle térmico exato em função do tempo de aquecimento. O tempo de secagem da panela é determinado pelas características dos tijolos de trabalho, tamanho da panela, temperatura da chama dos aquecedores. No trabalho realizado foram analisadas em panelas de aço com tijolos dolomíticos.

Tempo de processamento da corrida no forno Panela

O tempo de processamento da corrida no forno panela nas corridas foi analisado mediante supervisório de controle operacional do forno panela.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

Tempo de secagem do distribuidor

A secagem do distribuidor pode ser definida como a etapa de retirada de toda água usada na aplicação da massa de cobertura. Quando a secagem é deficiente por má distribuição dos queimadores, ou não segue a curva padrão sugerida pelo fabricante de refratários, pode-se ter queda de partes da parede durante a etapa posterior de pré-aquecimento do distribuidor. A Fig. 2 mostra um gráfico de aquecimento para um distribuidor com tijolos permanente e massa de projeção nova, sendo usado cerca de 60 minutos para secagem e 120 minutos para aquecimento.

             

Figura 2: Gráfico de aquecimento para distribuidor

A figura 3 mostra uma curva de aquecimento para massa de cobertura em função da temperatura verificada a 30 e 40 mm em relação à interface cobertura/permanente. A figura mostra em um tempo de 180 minutos a temperatura mínima de 500°C para encharque térmico nas paredes dos tijolos de trabalho.

Figura 03: Curva de aquecimento da massa de cobertura

 Um processo deficiente no processo de secagem e pré-aquecimento pode permitir a presença de umidade residual em parte do revestimento, gerando posteriormente um aumento do “pick-up” de hidrogênio no aço como mostra Fig. 4. Dependendo das características de isolamento da massa, quanto maior a espessura, maior a diferença entre a temperatura na face quente e na interface massa de cobertura/revestimento permanente, dificultando a remoção de umidade.

A presença de umidade no revestimento permanente deve merecer também cuidados especiais. Durante a campanha deste revestimento, pode-se ter absorção de umidade devido a reparos parciais, ou até mesmo condensação de água no mesmo durante a secagem do revestimento de trabalho. É prática usual aplicar a massa de reparo e a massa de cobertura sobre o revestimento permanente um pouco quente, promovendo uma secagem de dentro para fora no refratário. O uso de chama muito oxidante por longo tempo pode oxidar ou acelerar a queima de componentes presentes na massa de cobertura, reduzindo a sua eficiência de isolamento e criando tensões superficiais, devido a rápida evolução da temperatura na superfície em relação à camada mais interna. Este fenômeno pode provocar trincas superficiais na massa, que em algumas situações pode comprometer a performance do revestimento de trabalho.

Figura 04: Curva de pick up de hidrogênio no aço em função da quantidade de aço lingotado

A partir do tempo de secagem do distribuidor das corridas que apresentaram blowholes determinou-se um tempo curto de secagem e preaquecimento de 2 horas que favorece o pick up de hidrogênio do aço. Na Fig. 6 (e,f,g) mostra as amostras de tarugo cortadas que tiveram blowholes graves devido a tempos curtos de secagem possivelmente por desarmes no equipamento e baixa temperatura da chama. Como sugestão de melhoria propõe-se uma revisão dos componentes elétricos e troca do bico de gás por um de melhor qualidade.

Tempo de secagem da panela

O índice de encharque IE das panelas é uma forma de representar a medida da energia contida dentro das paredes refratárias (MWh), este valor depende do tamanho das panelas, dos refratários utilizados e da temperatura da chama dos aquecedores, esta energia tem como referência o equilíbrio térmico com aquecedor ( aproximadamente 12 horas ) que significa 100% do IE. O aquecimento da panela obedece uma etapa de secagem que é caracterizada pela intensa saída de vapor pelos furos da chapa metálica, quando cessa a saída de vapor ,é sinal que o período de secagem está no fim, a curva de secagem é lenta de modo a permitir a saída sem danificar (trincas) ou tijolos ou massas. Após essa etapa, inicia-se o aquecimento do revestimento, que obedece curvas características conforme a composição química dos tijolos.

As corridas analisadas com blowholes médios eram oriundas da primeira corrida de uma panela nova. Verificando o tempo gasto no aquecimento de aproximadamente 6 horas em aquecedor vertical com chama alta seguida de 4 h em aquecedor horizontal. Com esse tempo de aquecimento em panelas dolomíticas estima-se um IE 98% que seria suficiente para um processamento sem problema do aço de acordo com o IE ideal para o processo como mostra Fig. 05.

Figura 05: Curva de pick up de hidrogênio no aço

Entretanto verificou-se que a temperatura da chama não permanecia constante em função de falhas elétricas no aquecedor e variações na pressão de combustível, além da dificuldade do gradiente térmico com o tempo devido a falta de dados confiáveis. Foi verificada junto com uma empresa especializada em gases a substituição do aquecedor vertical por um a GLP com controle automático do taxa de aquecimento com a temperatura.

Tempo de processamento no Forno Panela

De acordo com o supervisório foi analisada pequenas variações entre 24 à 30 minutos de forno ligado, exceto para uma corrida analisada que teve tap to tap acima de 45 minutos, sendo cerca de 10 minutos a rinsagem com nitrogênio.

Amostras

As Figuras 6 a, b, c mostram a secção transversal de tarugos com blowholes leves das corridas 1202881,1203581 dos dias 19/5 e 20/6 e as figuras 6 d,e,f mostram a secção transversal de tarugos com blowholes médio e graves das corridas 1202637 e 1203324 dos dias 09/05 e 08/06. Observou-se que as cavidades estão localizadas logo abaixo da superfície do tarugo e distribuídas ao longo do perímetro subcutâneo da secção transversal.

                              

                                

Figura 07: (a) Corrida 1202637 de 19/05 com blowholes leves; (b) Corrida 1203581 de 20/06 com blowholes leve; (c).

                                                              

                                     

Figura 08: (a)Corrida 1202637 de 09/05 com blowholes médio; (b) e (c) Corrida 1203324 de 08/06 com blowholes graves.

Influência na laminação

As peças que apresentam bolhas situadas muito próximas da superfície do tarugo, podem se abrir e causar o aparecimento de pequenas fissuras alongadas descontínuas, distribuídas aleatoriamente pela superfície dos produtos acabados. Caso as bolhas estejam localizadas a profundidades > 5 mm da superfície do tarugo, poderão ser caldeadas durante a Laminação e irão praticamente desaparecer nos produtos acabados. A Fig. 07 mostra produtos que foram laminados com peças com blowholes médios e/ou graves, nota-se que a presença desse defeito provocou um desbaste irregular deixando o vergalhão com lascamentos e trincas comprometendo sua qualidade.

 

  

Figura 09: Amostra de vergalhão laminado apresentando lascamento e trincas

CONCLUSÕES

A partir do trabalho realizado pode-se concluir que:

·      Os principais parâmetros na formação de bolhas subcutâneas são a ineficiência de curvas de secagem de panelas e distribuidores por deficiência em seus queimadores, vindo a prejudicar a qualidade de deus produtos além de reduzir a vida útil de seus respectivos refratários. E a presença de fontes externas para aumento principalmente do hidrogênio é muito presente na siderúrgica, principalmente na área do lingotamento e forno panela, onde apresenta uma má estocagem da palha de arroz e cal.

·   A baixa desoxidação do aço em algumas corridas também é presente principalmente pelo tempo curto de processamento no forno panela devido ao sincronismo do Forno Elétrico com o lingotamento Contínuo, uma sugestão para melhorar esta desoxidação era o uso de alumínio metálico em fios no molde, ou a liga CaSi que é um excelente desoxidante no forno panela. O óleo de lubrificação do molde estava dentro do padrão estabelecido entre 50 a 65 g/ton pelo amassamento da mangueira de lubrificação do molde

·  O tempo de processamento elevado no forno panela também favorece o acumulo de gases no aço principalmente pela necessidade da rinsagem na panela com aço; A presença de blowholes tem uma influencia direta no processo da laminação provocando falha no desbaste do material gerando sucata e paradas no processo.

AGRADECIMENTOS        

Os autores agradecem a Universidade Federal do Pará (UFPA) e Faculdade de Engenharia de Materiais (FEMAT) e a equipe de Lingotamento Contínuo da Sinobras.

REFERÊNCIAS

(1)       IRVING,W.R.;Continuos casting of steel.The institute of Materials,1993.

(2)       LASHERAS,J.M;Tecnologia del Acero,1959, Imprenta Estilo,S.A.,Zaragoza.

(3)       POLUKHIN, P. Metal Process Engineering.1969,Mir Publishers.

(4)       CRAMER, Hans. Defeitos Superficiais em Produtos de Laminação (trad.)1989,Stahl und Eisen.

(5)       OVACO,J.D.Different Types of Defects in Continuously Cast Billets,1993,Ovako/Suecia.

(6)       THOMAS,B.G;Continuous Casting Yearbook of scienci and technology,Mc Graw-Hill,2004

(7)       BILBAO,J.L.A.Procesos avanzados de produccion de acero,1994. Publicaciones de la escuela técnica superior de ingenieros industriales y de telecomunicacion,Universidad del País Vasco,Bilbao.

(8)       GARCIA,A.,SPIM,A.,SANTOS,C.A.D,CHEUNG,N.Lingotamento Contíno de Aços,2006.São Paulo: Associação Brasileira de Metalurgia e Materiais.

(9)       THOMAS,B.G.,Continuous Casting,The Encyclopedia of materials: Science and Technology.Vol.2.2001,UK:Elsevier Science Ltda.,Oxford.

(10)    VALADARES, C. A. G.; et. al.. Estudo da solidificação no molde de lingotamento contínuo. Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da Usiminas, 1986. (Relatório Interno de P & D número RPCR0065).

ANALYSIS OF PROCESS PARAMETERS IN THE FORMATION OF INTERNAL DEFECTS BLOWHOLES IN STEEL BILLETS OF MEDIUM CARBON

ABSTRACT

The Continuous Casting of Steel casting is a process used for the purpose of increasing the productivity, saving energy and workmanship, because it is a process that favors a large scale production, it is subject to several defects in the product such as shape, surface and internal. This study examined the internal defect of slugs "Blowholes", relating to the effects of operating in a continuous casting machine billet produced in a steel plant, the formation of blowholes defect and its influence on product quality laminates.  Observed twelve races that showed this defect verifying the operational factors that influenced the formation and scrapping of about 1 race/month. The objective of this study is to determine the principal operating factors in the formation of this defect and create an action plan to reduce the amount.

Key-words: blowholes, continuous casting, operating parameters.