BR112015011258B1 - Método de produção de um trilho de guindaste - Google Patents

Abstract

MÉTODO DE PRODUÇÃO DE UM TRILHO DE GUINDASTE. A presente invenção refere-se a trilhos de aço e, mais particularmente, a trilhos de guindaste. Especificamente, a presente invenção se refere a trilhos de guindaste de aço com dureza muito alta e um método de produção dos mesmos. O método compreende as etapas de fornecer um trilho de aço que tem uma composição que compreende, em percentual em peso: 0,79 a 1,00% de C; 0,40 a 1,00 de Mn; 0,30 a 1,00 de Si; 0,20 a 1,00 de Cr; 0,05 a 0,35 de V; 0,01 a 0,035 de Ti; 0,002 a 0,0150 de N; e sendo que o restante é predominantemente ferro. O trilho de aço é resfriado a partir de uma temperatura entre cerca de 700 e 800 °C a uma taxa de resfriamento que tem uma representação gráfica limítrofe de taxa de resfriamento superior definida por uma linha superior que conecta coordenadas xy (0 s, 800 °C), (40 s, 700 °C) e (140 s, 600 °C) e uma representação gráfica limítrofe de taxa de resfriamento inferior definida por uma linha inferior que conecta coordenadas xy (0 s, 700 °C), (40 s, 600 °C) e (140 s, 500 °C).

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a trilhos de aço e, mais particularmente, a trilhos de guindaste. Especificamente, a presente invenção se refere a trilhos de guindaste de aço com dureza muito alta e um método de produção dos mesmos.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[002] Os guindastes que se movem em trilhos de aço instalados no solo ou em vias elevadas são usados para transportar objetos e materiais de um local para outro. Os exemplos incluem construções industriais (usinas siderúrgicas) e portos em que os navios são descarregados e os produtos são colocados em veículos de transporte. Os trilhos são chamados de trilhos de guindaste e exige-se que os mesmos sustentem seguramente cargas pesadas enquanto mantêm uma baixa manutenção com ciclo de vida estendido. Em comparação com os "trilhos em T" comuns usados para ferrovias e linhas de trânsito sobre trilho leve, os trilhos de guindaste têm tipicamente seções de parte superior significativamente maiores e seções de alma mais espessas.

[003] Mediante o aumento das cargas ao longo dos anos, o trilho de guindaste precisa resistir à deformação plástica e ao dano. A tendência atual é que o trilho de guindaste precise ter dureza mais alta e alta resistência para resistir ao dano. Um guindaste industrial típico (usina siderúrgica) tem oito rodas, 60 a 70 cm de diâmetro com cargas de roda de até 60 toneladas. O ponto de contato real entre um trilho de guindaste de aço e a roda do guindaste é bastante pequeno e normalmente concentrado no centro da parte superior de trilho de guindaste. Visto que tanto o trilho quanto a roda estão em um alto nível de compressão; são provocados estresses localizados muito grandes. Recentemente muitos guindastes mudaram para rodas mais duras para estender a vida da roda e para diminuir os custos de manutenção. O guindaste móvel e as consequentes cargas de choque podem resultar em dano por fadiga ao trilho de guindaste, à roda e ao sistema de viga mestre de sustentação. Os trilhos de guindaste também são submetidos a desgaste da parte superior e são rotineiramente inspecionados para determinar que a quantidade de desgaste ainda é aceitável para uso contínuo. É necessário substituir o trilho de guindaste quando o mesmo apresenta efeito de cogumelo ou deformação e desgaste não simétricos.

[004] Com base em cargas de guindaste crescentes e rodas de guindaste com dureza mais alta, os requisitos técnicos de trilho de guindaste em geral estão mudando para dureza mais alta e graus de aço com resistência superior. Devido ao tamanho limitado do mercado de trilho de guindaste, existem poucas usinas siderúrgicas que produzem trilhos de guindaste, deixando os clientes em uma situação difícil.

[005] A fábrica ArcelorMittal Steelton é a maior produtora de trilhos de guindaste no hemisfério ocidental e utilizou sua instalação de endurecimento da parte superior de trilho para produzir um trilho de guindaste de dureza mais alta por resfriamento acelerado diretamente fora da usina de trilho. Entretanto, os clientes estão solicitando trilho de guindaste de dureza ainda mais alta para aplicações de carga pesada em comparação com os disponíveis dentre composições de aço de trilho convencionais. Existe a necessidade na técnica de um trilho de guindaste de dureza alta que tenha uma dureza mais alta que convencional e atualmente disponível.

DESCRIÇÃO DA INVENÇÃO

[006] A presente invenção se refere a um método de produção de um trilho de guindaste de parte superior endurecida de alta resistência e o trilho de guindaste produzido pelo método. O método compreende as etapas de fornecer um trilho de aço que tem uma composição que compreende, em percentual em peso: 0,79 a 1,00% de carbono; 0,40 a 1,00 de manganês; 0,30 a 1,00 de silício; 0,20 a 1,00 de cromo; 0,05 a 0,35 de vanádio; 0,01 a 0,035 de titânio; 0,002 a 0,0150 de nitrogênio; e sendo que o restante é predominantemente ferro. O trilho de aço é fornecido a uma temperatura entre cerca de 700 e 800 °C. O método compreende a etapa adicional de resfriamento do dito trilho de aço a uma taxa de resfriamento que, se representada em um gráfico com coordenadas xy com o eixo geométrico x representando o tempo de resfriamento em segundos e o eixo geométrico y representando a temperatura em °C da superfície da parte superior de trilho de aço, é mantida em uma região entre uma representação gráfica limítrofe de taxa de resfriamento superior definida por uma linha superior que conecta as coordenadas xy (0 s, 800 °C), (40 s, 700 °C), e (140 s, 600 °C) e uma representação gráfica limítrofe de taxa de resfriamento inferior definida por uma linha inferior que conecta as coordenadas xy (0 s, 700 °C), (40 s, 600 °C) e (140 s, 500 °C).

[007] A composição do trilho de aço pode, de preferência, compreender, em percentual em peso: 0,8 a 0,9 de carbono; 0,7 a 0,8 de manganês; 0,5 a 0,6 de silício; 0,2 a 0,3 de cromo; 0,05 a 0,1 de vanádio; 0,02 a 0,03 de titânio; 0,008 a 0,01 de nitrogênio; e sendo que o restante é predominantemente ferro. A composição do trilho de aço pode, com mais preferência, compreender, em percentual em peso: 0,87 de carbono; 0,76 de manganês; 0,54 de silício; 0,24 de cromo; 0,089 de vanádio; 0,024 de titânio; 0,011 de fósforo; 0,006 de enxofre; 0,009 de nitrogênio; e sendo que o restante é predominantemente ferro.

[008] O trilho de guindaste tem uma porção de parte superior que pode ter uma microestrutura completamente perlítica. A parte superior do dito trilho de guindaste pode ter uma dureza Brinell média de pelo menos 370 HB a uma profundidade de 0,953 centímetros (3/8 de polegada) a partir do centro superior da dita parte superior de trilho de guindaste; pelo menos 370 HB a uma profundidade de 0,953 centímetros (3/8 de polegada) a partir dos lados da dita parte superior de trilho de guindaste; e pelo menos 340 HB a uma profundidade de 1,905 centímetros (3/4 de polegada) a partir do centro superior da dita parte superior de trilho de guindaste. O trilho de guindaste pode ter um limite de elasticidade de pelo menos 827,37 MPa (120 ksi); uma resistência à ruptura final de pelo menos 1.241,05 MPa (180 ksi), um alongamento total de pelo menos 8% e uma redução em área de pelo menos 20%.

[009] A taxa de resfriamento de 0 segundo a 20 segundos representada no gráfico pode ter uma média dentro de uma faixa de entre cerca de 2,25 °C/s e 5 °C/s, e em que a taxa de resfriamento de 20 segundos a 140 segundos representada no gráfico pode ter uma média dentro de uma faixa de entre cerca de 1 °C/s e 1,5 °C/s'.

[010] A etapa de fornecer um trilho de aço pode compreender as etapas de: formar uma fusão de aço a uma temperatura de cerca de 1.600 °C a cerca de 1.650 °C através da adição sequencial de manganês, silício, carbono, cromo, seguida por titânio e vanádio em qualquer ordem ou em combinação para formar a fusão; desgaseificar a vácuo a dita fusão para remover adicionalmente o oxigênio, o hidrogênio e outros gases potencialmente prejudiciais; fundir a dita fusão em blocos; aquecer os blocos fundidos a cerca de 1.220 °C; laminar o dito bloco em um bloco "laminado" que emprega uma pluralidade de passagens em um desbastador de bloco; colocar os ditos blocos laminados em uma fornalha de reaquecimento; reaquecer os ditos blocos laminados a 1.220 °C para fornecer uma temperatura de laminação de trilho uniforme; descarepar o dito bloco laminado; passar o dito bloco laminado sequencialmente através de um laminador desbastador, um laminador desbastador intermediário e um laminador de acabamento para criar um trilho de aço com acabamento, sendo que o dito laminador de acabamento tem uma temperatura de acabamento de saída de 1.040 °C; descarepar o dito trilho de aço com acabamento a acima de 900 °C para obter um óxido secundário uniforme no mesmo; e resfriar a ar o dito trilho com acabamento a cerca de 700 °C a 800 °C.

[011] A etapa de resfriamento do dito trilho de aço pode compreender o resfriamento do dito trilho com água por 140 segundos. A etapa de resfriamento do dito trilho de aço com água pode compreender o resfriamento do dito trilho de aço com jatos de aspersão de água. A água que compreende os ditos jatos de aspersão de água pode ser mantida a uma temperatura de entre 10 a 16 °C. A etapa de resfriamento do dito trilho de aço com jatos de aspersão de água pode compreender direcionar os ditos jatos de água para o topo da parte superior de trilho, os lados da parte superior de trilho, os lados da alma do trilho e o pé do trilho. A etapa de resfriamento dito trilho de aço com jatos de aspersão de água pode compreender passar o dito trilho de aço através de uma câmara de resfriamento que inclui os ditos jatos de aspersão de água. A câmara de resfriamento pode compreender quatro seções e a vazão de água em cada seção pode ser variada dependendo da exigência de resfriamento em cada uma das seções. A maior quantidade de água pode ser aplicada na primeira seção/seção de entrada da dita câmara de resfriamento, criar uma taxa de resfriamento rápida o bastante para suprimir a formação de cementita proeutetoide e iniciar o começo da transformação de perlita abaixo de 700 °C. A vazão de água na primeira seção/seção de entrada da câmara de resfriamento pode ser 25 m3/h, a vazão de água na segunda seção da câmara de resfriamento pode ser 21 m3/h, a vazão de água na terceira seção da câmara de resfriamento pode ser 9 m3/h; e a vazão de água na quarta/última seção da câmara de resfriamento pode ser 10 m3/h.

[012] A etapa de resfriamento do dito trilho de aço pode compreender adicionalmente a etapa de resfriamento do dito trilho em ar para a temperatura ambiente após a dita etapa de resfriamento do dito trilho com água por 140 segundos.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[013] A Figura 1 é um corte transversal esquemático da porção de parte superior de um trilho de guindaste que denota locais na parte superior de trilho de guindaste que terão suas médias obtidas para determinar a dureza da parte superior de trilho de guindaste.

[014] As Figuras 2a e 2b representam a dureza Brinell média dos quatro graus de trilho de guindaste discutidas no presente documento (CC, HH, HC e INV) no topo de no centro da parte superior de trilho, respectivamente.

[015] A Figura 3 retrata um corte transversal de um trilho de guindaste e os jatos de aspersão de água que são usados para resfriar o trilho de guindaste.

[016] A Figura 4 representa as curvas de resfriamento (temperatura da parte superior de trilho em °C versus o tempo desde a entrada na primeira seção da câmara) de 9 trilhos da presente invenção à medida que os mesmos passam consecutivamente através das seções da câmara de resfriamento.

[017] A Figura 5 representa a temperatura da parte superior de trilho em °C versus o tempo desde a entrada na primeira seção da câmara para um trilho único, sendo que as linhas pontilhadas indicam os limites de topo e fundo do envoltório de resfriamento da invenção.

DESCRIÇÃO DE REALIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[018] A presente invenção envolve uma combinação de composição de aço e resfriamento acelerado para produzir um trilho de guindaste de dureza e resistência superiores.

ESPECIFICAÇÕES ATUAIS

[019] A especificação padrão para trilhos de guindaste é ASTM A759 "Carbon Steel Crane Rails". Os limites da composição são (em % em peso): 0,67 a 0,84% de Carbono; 0,70 a 1,10% de Manganês; 0,10 a 0,50% de Silício; 0,04% no máximo de Fósforo; 0,05% no máximo de Enxofre. Embora a microestrutura não seja especificada em ASTM A759, os trilhos de guindaste feitos a partir dessa composição exibem uma microestrutura perlítica quando resfriada de modo controlado em um leito de resfriamento ou resfriada de modo acelerado.

PROGRESSÃO DE COMPOSIÇÃO E DUREZA DO TRILHO DE GUINDASTE

[020] Por anos, a composição do trilho de guindaste consistiu na química simples de C-Mn-Si mostrada acima. Entretanto, diferentes graus de trilho de guindaste foram desenvolvidos a fim de aumentar as propriedades de dureza. A dureza é o requerimento de propriedade primário especificado no trilho de guindaste. A Figura 1 é um corte transversal esquemático da porção de parte superior de um trilho de guindaste. Os presentes inventores usam o padrão mostrado na Figura 1 para as medições de dureza Brinell na parte superior de trilho de guindaste (86,8175 kg por metro (175 libras por jarda)). As médias dos locais A3, B3 e C3 na parte superior de trilho de guindaste serão obtidas e os mesmos serão chamados de parte de topo de dureza superior. As médias dos locais D1 e E1 na parte superior de trilho de guindaste serão obtidas e os mesmos serão chamados de parte superior de lado de dureza e o local B6 na parte superior de trilho de guindaste será chamado dureza da parte superior de centro.

GRAUS DE TRILHO DE GUINDASTE

[021] Três graus de trilho de guindaste existentes no estado da técnica e o grau da invenção (codificado como INV) são descritos abaixo.

TRILHO DE GUINDASTE RESFRIADO DE MODO CONTROLADO (CC)

[022] Os trilhos de C-Mn-Si são laminados em uma usina de trilho e são resfriados ao ar de modo simples em um leito de resfriamento. O grau é chamado de trilho de guindaste resfriado de modo controle (CC). As composições representativas de trilhos de guindaste CC são listadas na Tabela 1.TABELA 1

[023] O teor de carbono está no ponto eutetóide do diagrama binário ferro-carbono e a microestrutura resultante é 100% de perlita.

TRILHO DE GUINDASTE ENDURECIDO NA PARTE SUPERIOR (HH)

[024] O desenvolvimento de trilho de guindaste seguinte nos anos 1990 foi para resfriar de modo acelerado trilhos de guindaste feitos de um aço básico de C-Mn-Si para conseguir uma dureza mais alta desenvolvendo-se um espaçamento interlamelar de perlita mais fino. Em comparação ao aço usado para trilhos CC, o aço para trilhos HH contém mais Mn, Si e Cr. O processo de resfriamento acelerado é chamado de endurecimento de parte superior. As composições representativas do trilho de guindaste endurecido na parte superior (HH) são mostradas na Tabela 2. Essa tabela representa três calores do trilho de guindaste em que o carbono está na faixa de 0,80 a 0,82%, Mn de 0,96 a 0,99%, Si de 0,40 a 0,44% e Cr de 0,20 a 0,21%.TABELA 2

[025] A fim de conseguir uma dureza ainda mais alta, o nível de carbono do aço HH acima foi aumentado de 0,80 a 0,82%C para 0,88 a 0,90%C e os trilhos de guindaste laminados a partir dessa composição também são endurecidos na parte superior. As composições representativas do trilho de guindaste endurecidos na parte superior HC são mostradas na Tabela 3.

[026] Em um nível de carbono mais alto, esses trilhos estão no lado hipereutetóide do ponto eutético binário ferro-carbono. Isso significa que existe a possibilidade de formar redes de cementita proeutetoide nos limites anteriores de grão de austenita. Se essas redes estiverem presentes, a ductilidade será mais baixa. Entretanto, o resfriamento acelerado ajudará a minimizar a formação da rede.TABELA 3

TESTE DE TRILHO DE GUINDASTE DE ALTA DUREZA E ALTA RESISTÊNCIA

[027] Para conseguir uma dureza e uma resistência ainda mais alta que o trilho de guindaste HC sem sacrificar a ductilidade, os presentes inventores conduziram testes de um novo trilho de guindaste de dureza mais alta com uma composição modificada combinada com parâmetros especificamente modificados de endurecimento de parte superior. O grau da invenção (INV) envolve um trilho de guindaste de aço endurecido na parte superior com teor de Mn mais baixo e teor de Si e Cr mais alto. Elementos importantes de formação de microliga de titânio e vanádio também são adicionados. A composição usada no teste é mostrada na Tabela 4 em percentual em peso (ferro é o restante).TABELA 4

[028] O trilho de guindaste de aço de alta resistência da presente invenção tem uma microestrutura perlítica e, em geral, a seguinte composição em % de peso, sendo que ferro é o restante substancial: - Carbono 0,79 a 1,00 (de preferência 0,8 a 0,9) - Manganês 0,40 a 1,00 (de preferência 0,7 a 0,8) - Silício 0,30 a 1,00 (de preferência 0,5 a 0,6) - Cromo 0,20 a 1,00 (de preferência 0,2 a 0,3) - Vanádio 0,05 a 0,35 (de preferência 0,05 a 0,1) - Titânio 0,01 a 0,035 (de preferência 0,02 a 0,03) - Nitrogênio 0,002 a 0,0150 (de preferência 0,008 a 0,01)

[029] O carbono é essencial para conseguir propriedades de trilho de alta resistência. O carbono combina com ferro para formar carboneto de ferro (cementita). O carboneto de ferro contribui para alta dureza e confere alta resistência ao aço do trilho. Com o alto teor de carbono (acima de cerca de 0,8% em peso de C, opcionalmente acima de 0,9% em peso) uma fração de volume mais alta de carboneto de ferro (cementita) continua a se formar acima daquela do aço eutetóide (perlítico) convencional. Um modo de utilizar o teor de carbono mais alto no novo aço é por resfriamento acelerado (endurecimento de parte superior) e supressão da formação de redes nocivas de cementita proeutóide em limites de grãos de austenita. Conforme discutido abaixo, o nível de carbono mais alto também evita a formação de ferrita mole na superfície do trilho por descarburização normal. Em outras palavras, o aço tem carbono o suficiente para impedir que a superfície do aço se torne hipoeutetóide. Níveis de carbono maiores que 1% em peso podem criar redes de cementita indesejáveis.

[030] O manganês é um desoxidante do aço líquido e é adicionado para unir enxofre na forma de sulfetos de manganês, o que impede, assim, a formação de sulfetos de ferro que são quebradiços e deletérios a ductilidade a quente. O manganês também contribui para a dureza e a resistência da perlita pelo retardamento da nucleação de transformação da perlita, o que, desse modo, baixa a temperatura de transformação e diminui o espaçamento interlamelar de perlita. Altos níveis de manganês (por exemplo, acima de 1%) podem gerar segregação interna indesejável durante a solidificação e microestruturas que degradam as propriedades. Em realizações exemplificativas, o manganês é baixado de um nível de composição de aço endurecido na parte superior convencional para desviar o "ruído" do diagrama da transformação de resfriamento contínua (CCT) para períodos de tempo mais curtos, isto é, a curva é desviada para a esquerda. De modo geral, mais perlita e produtos de transformação mais baixa (por exemplo, bainita) formam próximo ao "nariz." De acordo com realizações exemplificativas, a taxa inicial de resfriamento é acelerada para tirar vantagem dessa comutação, as taxas de resfriamento são aceleradas para formar a perlita próximo ao nariz. A operação do processo de endurecimento na parte superior em taxas de resfriamento mais altas promove uma microestrutura perlítica mais fina (e mais dura). Entretanto, quando se opera as taxas de resfriamento mais altas, existem problemas ocasionais com a instabilidade de transferência de calor quando o trilho resfria excessivamente e é tornado insatisfatório devido à presença de bainita ou martensita. Com a composição da invenção, o endurecimento de parte superior pode ser conduzido em taxas de resfriamento mais altas sem a ocorrência de instabilidade. Portanto, o manganês é mantido abaixo de 1% para diminuir a segregação e impedir microestruturas indesejadas. O nível de manganês é, de preferência, acima de cerca de 0,40% em peso para unir o enxofre através da formação de sulfeto de manganês. Altos teores de enxofre podem criar altos níveis de sulfeto de ferro e levar a uma maior fragilidade.

[031] O silício é outro desoxidante do aço líquido e é um poderoso fortalecedor de solução sólida da fase de ferrita na perlita (o silício não combina com cementita). O silício também suprime a formação de redes contínuas de cementita proeutóide nos limites anteriores de grão de austenita alterando-se a atividade de carbono na austenita. O silício está, de preferência, presente em um nível de pelo menos cerca de 0,3% em peso para impedir a formação da rede de cementita e em um nível não maior que 1,0% em peso para evitar a fragilização durante a laminação a quente.

[032] O cromo fornece o fortalecedor de solução sólida tanto na fase de ferrita quanto na fase de cementita de perlita.

[033] O vanádio combina com o carbono e nitrogênio em excesso para formar carboneto de vanádio (carbonitreto) durante a transformação para melhorar a dureza e o fortalecimento da fase de ferrita em perlita. O vanádio eficazmente compete com o ferro pelo carbono, o que, desse modo, impede a formação de redes de cementita contínuas. O carboneto de vanádio refina o tamanho de grão austenítico e atua para quebrar a formação de redes contínuas de cementita pró-eutetóide em limites de grãos de austenita, particularmente na presença dos níveis de silício praticados pela presente invenção. Níveis de vanádio abaixo de 0,05% em peso produzem precipitados de carboneto de vanádio insuficientes para suprimir as redes de cementita contínuas. Níveis acima de 0,35% em peso podem ser perigosos para as propriedades de alongamento do aço.

[034] O titânio combina com nitrogênio para formar precipitados de nitreto de titânio que fixam os limites de grãos de austenita durante o aquecimento e a laminação do aço, o que, desse modo, impede o crescimento excessivo do grão austenítico. Esse refinamento de grão é importante para a restrição do crescimento de grão de austenita durante o aquecimento e a laminação dos trilhos nas temperaturas de encerramento acima de 900 °C. O refinamento de grão fornece uma boa combinação de ductilidade e resistência. Níveis de titânio acima de 0,01% em peso são favoráveis ao alongamento tênsil, o que produz valores de alongamento acima de 8%, como de 8 a 12%. Níveis de titânio abaixo de 0,01% em peso podem reduzir a média de alongamento para abaixo de 8%. Níveis de titânio acima de 0,035% em peso podem produzir grandes partículas de TiN que são ineficazes para restringir o crescimento de grão de austenita.

[035] Nitrogênio é importante para combinar com o titânio para formar precipitados de TiN. Uma quantidade naturalmente ocorrente de impureza de nitrogênio está tipicamente presente no processo de fusão em fornalha elétrica. Pode ser desejável adicionar nitrogênio adicional à composição para trazer o nível de nitrogênio para acima de 0,002% em peso, que é tipicamente um nível de nitrogênio suficiente para permitir que o nitrogênio combine com titânio para formar precipitados de nitreto de titânio. De modo geral, níveis de nitrogênio mais altos que 0,0150% em peso não são necessários.

[036] O nível de carbono é essencialmente o mesmo que o do grau de trilho de guindaste com alto teor de carbono (HC). A composição é hipereutetóide com uma fração de volume mais alta de cementita para dureza adicionada. O manganês é propositalmente reduzido para impedir que produtos de transformação mais baixa (bainita e martensita) se formem quando os trilhos de guindaste são soldados. O nível de silício é aumentado para fornecer dureza mais alta e ajudar a suprimir a formação de redes de cementita proeutetóide nos limites anteriores de grão de austenita. O cromo de teor ligeiramente mais alto é para dureza mais alta adicionada. A adição de titânio combina com nitrogênio para formar partículas submicroscópicas de nitreto de titânio que se precipitam na fase de austenita. Essas partículas de TiN fixam os limites de grãos de austenita durante o ciclo de aquecimento para impedir o crescimento de grãos, o que resulta em um tamanho mais fino de grão austenítico. A adição de vanádio combina com carbono para formar partículas submicroscópicas de carboneto de vanádio que se precipitam durante a transformação de perlita e resulta em um forte efeito de endurecimento. O vanádio junto com a adição de silício e o resfriamento acelerado suprime a formação de redes de cementita proeutetóide.

PROPRIEDADES DE DUREZA

[037] A dureza Brinell média dos três graus convencionais e o grau da invenção são mostrados na Tabela 5.TABELA 5

[038] Como pode ser visto, a dureza aumenta progressivamente de CC para HH para HC para INV nos locais de topo, lado e centro da parte superior de trilho. As representações gráficas mostradas nas Figuras 2a e 2b representam a dureza Brinell média dos quatro graus de trilho de guindaste discutidos no presente documento (CC, HH, HC e INV) no topo de no centro da parte superior de trilho, respectivamente. As curvas mostram a progressão em dureza à medida que o teor e o processo da liga mudam. Os trilhos da invenção que têm a composição da invenção resfriada pelo processo da invenção são vistos ter a dureza mais alta em toda a extensão.

PROPRIEDADES DE RESISTÊNCIA

[039] Adicionalmente à dureza, as propriedades de tração foram medidas na parte superior de trilho. Um espécime de tração de padrão ASTM A370 com um diâmetro de calibre de 1,27 cm (%") e um comprimento entre reparos de 5,08 cm (2") foi usinado a partir do topo da parte superior de trilho. A Tabela 6 mostra o limite de elasticidade (YS), limite de resistência à tração (UTS), percentual de alongamento total e percentual de redução em área típicos dos três graus convencionais e o grau da invenção.TABELA 6

[040] Conforme visto na progressão de dureza acima, a resistência também aumenta de grau a grau. É interessante observar que a ductilidade (conforme representada pela % de alongamento total e % de redução em área) do trilho de guindaste HC de alto teor de carbono é mais baixo que os outros graus. Isso se deve ao fato de que o aço é hipereutetóide e existe o potencial de formar redes de cementita proeutetoide nos limites anteriores de grão de austenita. Essas redes são conhecidas por baixar a ductilidade fornecendo-se uma trajetória fácil para propagação de fissura. O grau da invenção, mesmo a um nível de carbono similar elevado, aumentou a ductilidade. O nível de silício mais alto ajuda a minimizar essas redes. Além disso, a adição do vanádio atua para suprimir a formação de redes nos limites de austenita. Assim, a porcentagem de redução em área (ductilidade) do grau da invenção é 36% melhor que o grau de HC no mesmo nível de carbono.

[041] De modo geral, a fabricação de aço pode ser realizada em uma faixa temperatura suficientemente alta para manter o aço em um estado fundido. Por exemplo, a temperatura pode estar em uma faixa de cerca de 1.600 °C a cerca de 1.650 °C. Os elementos de formação de liga podem ser adicionados ao aço fundido em qualquer ordem particular, embora seja desejável dispor a sequência de adição para proteger certos elementos como titânio e vanádio de oxidação. De acordo com uma realização exemplificativa, o manganês é adicionado primeiro como ferromanganês para desoxidar o aço líquido. Em seguida, o silício é adicionado na forma de ferrosilício para desoxidação adicional do aço líquido. O carbono é, então, adicionado, seguido pelo cromo. O vanádio e o titânio são adicionados na penúltima e na última etapas, respectivamente. Após os elementos de formação de liga serem adicionados, o aço pode ser desgaseificado a vácuo para remover adicionalmente o oxigênio e outros gases potencialmente prejudiciais, como hidrogênio.

[042] Uma vez desgaseificado, o aço líquido pode ser fundido em blocos (por exemplo, 370 mm x 600 mm) em uma máquina de fundição contínua de três colunas. A velocidade de fundição pode ser definida em, por exemplo, abaixo de 0,46 m/s. Durante a fundição, o aço líquido é protegido de oxigênio (ar) pelo invólucro que envolve tubos de cerâmica que se estendem do fundo do cadinho à panela intermediária (um recipiente de retenção que distribui o aço fundido em três fusões abaixo) e o fundo da panela intermediária em cada fusão. O aço líquido pode ser eletromagneticamente agitado enquanto no molde de fundição para aprimorar a homogeneização e, assim, minimizar a segregação da liga metálica.

[043] Após a fundição, os blocos fundidos são aquecidos a cerca de 1.220 °C e laminados em um bloco "laminado" em uma pluralidade (por exemplo, 15) de passagens em um desbastador de bloco. Os blocos laminados são colocados "a quente" em uma fornalha de reaquecimento e reaquecidos a 1.220 °C para fornecer uma temperatura de laminação de trilho uniforme. Após a descarepação, o bloco laminado pode ser laminado no trilho em múltiplas (por exemplo, 10) passagens em um laminador desbastador, laminador desbastador intermediário e um laminador de acabamento. A temperatura de acabamento é desejavelmente cerca de 1.040 °C. O trilho laminado pode ser desincrustado novamente acima de cerca de 900 °C para obter um óxido secundário uniforme no trilho antes do endurecimento de parte superior. O trilho pode ser resfriado ao ar a cerca de 800 °C a 700 °C.

PROCESSO DA INVENÇÃO

[044] A fim de conseguir a dureza mais alta na presente invenção, tanto a composição quanto o processamento são essenciais. O trilho de guindaste é processado diretamente fora da usina de trilho enquanto ainda está no estado austenítico. O titânio já formou as partículas de TiN que restringiram o crescimento de grãos durante o aquecimento. Os trilhos são laminados com acabamento em temperaturas entre 1.040 a 1.060 °C. Após deixar a última cadeia de laminação da usina de trilho, os trilhos (enquanto ainda austeníticos) são enviados para a máquina de endurecimento de parte superior. Começando a uma temperatura de superfície de entre 750 e 800 °C, o trilho é passado através de uma série de bocais aspersores de água configurados conforme mostrado na Figura 3, que retrata um corte transversal de um trilho de guindaste e os jatos de aspersão de água que são usados para resfriar o trilho de guindaste.

[045] A partir da Figura 3, pode ser visto que a configuração do bocal de aspersão de água inclui um aspersor de água de parte de topo superior 1, dois aspersores de água de parte superior laterais 2, dois aspersores de água de alma 3 e um aspersor de água de pé 4. Os bocais de aspersão são distribuídos longitudinalmente em uma câmara de resfriamento que tem 100 metros de comprimento e a câmara contém centenas de bocais de resfriamento. O trilho se move através da câmara de aspersão a uma velocidade de 0,5 a 1,0 metros/segundo. Para a consistência da propriedade, a temperatura da água é controlada dentro de 10 a 16 °C.

[046] A vazão de água é controlada em quatro seções independentes da câmara de resfriamento; sendo que cada seção tem 25 metros de comprimento. Por exemplo, no processamento do perfil 175CR (86,8175 kg por metro (175 libras por jarda)) mostrado acima, as taxas de fluxo de água do topo e da parte superior são ajustadas para cada seção de 25 metros para conseguir a taxa de resfriamento apropriada para obter uma microestrutura perlítica fina na parte superior de trilho. A Figura 4 representa as curvas de resfriamento de 9 trilhos da presente invenção à medida que as mesmas passam consecutivamente através das seções da câmara. Especificamente, a Figura 4 representa a temperatura da parte superior de trilho em °C versus o tempo desde a entrada na primeira seção da câmara. Sete pirômetros (as medições de temperatura que são mostradas como os pontos de dados na Figura 4) estão localizados em posições-chave em cada seção. Esses pirômetros medem a temperatura da superfície da parte superior de topo do trilho. Os 7 pirômetros de parte superior de topo estão localizados conforme a seguir: - Piro 1: À medida que o trilho entra na câmara de resfriamento - chamada temperatura de entrada; - Piro 2: Em um local a meio-caminho pela 1a seção; - Piro 3: No final da ia seção; - Piro 4: Em um local a meio-caminho pela 2a seção; - Piro 5: No final da 2a seção; - Piro 6: No final da 3a seção; e - Piro 7: No final da 4a seção.

[047] Uma parte importante da invenção é o controle da taxa de resfriamento nas quatro seções independentes da câmara de resfriamento. Isso é conseguido pelo controle preciso do fluxo de água em cada seção; particularmente o fluxo total para os bocais de parte superior de topo e laterais em cada seção. Para os 9 trilhos da presente invenção discutidos acima em relação à Figura 4, a quantidade fluxo de água para os bocais de parte superior de topo na primeira seção de 25 metros foi de 25 m3/h, 21 m3/h na segunda seção, 9 m3/h na terceira seção e 10 m3/h na quarta seção. Após o trilho sair da quarta seção, o mesmo é resfriado por resfriamento ao ar à temperatura ambiente. Essa divisão de fluxo de água influencia o nível de dureza e a profundidade de dureza na parte superior de trilho. A curva de resfriamento do primeiro dos 9 trilhos na Figura 4 está representada na Figura 5 para mostrar o resultado do particionamento de água. Especificamente, a Figura 5 representa a temperatura da parte superior de trilho em °C versus o tempo desde a entrada na primeira seção da câmara para um trilho único. As linhas pontilhadas indicam os limites de topo e de fundo do envoltório de resfriamento da invenção.

[048] A maior quantidade de água é aplicada na primeira seção, o que cria uma taxa de resfriamento rápida o bastante para suprimir a formação de cementita proeutetoide e inicia o começo da transformação da perlita abaixo de 700 °C (entre 600 a 700 °C). Quanto menor for a temperatura inicial da transformação da perlita, mais fino será o espaçamento interlamelar da perlita e maior será a dureza do trilho. Uma vez que a parte superior de trilho de guindaste começa a se transformar em perlita, o aquecimento é dissipado pela transformação da perlita - chamado de aquecimento de transformação - e o processo de resfriamento diminui dramaticamente a não ser que a quantidade apropriada de água seja aplicada. Realmente, a temperatura de superfície pode ficar mais quente que antes: isso é conhecido como recalescência. Um alto nível controlado de fluxo de água é necessário para retirar esse excesso de calor e permitir que a transformação de perlita continue a ocorrer abaixo de 700 °C. Os fluxos de água na terceira e na quarta seções continuam a extrair calor da superfície do trilho. Esse resfriamento adicional é necessário para obter uma boa profundidade de dureza.

[049] Conforme declarado acima, as linhas pontilhadas na Figura 5 mostram o envoltório de resfriamento da invenção e os dois regimes de resfriamento da presente invenção. O primeiro regime de resfriamento do envoltório de resfriamento dura de 0 a 40 segundos na câmara de resfriamento. Nesse regime do envoltório de resfriamento, a curva de resfriamento é delimitada por uma linha superior de limite de resfriamento e uma linha inferior de limite de resfriamento (linhas pontilhadas na Figura 5). A linha superior de resfriamento se estende do tempo t=0 seg a uma temperatura de cerca de 800 °C a t=40 seg e uma temperatura de cerca de 700 °C. A linha inferior de resfriamento se estende do tempo t=0 seg a uma temperatura de cerca de 700 °C a t=40 seg e uma temperatura de cerca de 600 °C. O segundo regime de resfriamento do envoltório de resfriamento dura de 40 a 140 segundos na câmara de resfriamento. Nesse regime do envoltório de resfriamento, a curva de resfriamento é novamente delimitada por uma linha superior de limite de resfriamento e uma linha inferior de limite de resfriamento (linhas pontilhadas na Figura 5). A linha superior de resfriamento se estende do tempo t=40 seg a uma temperatura de cerca de 700 °C a t=140 seg e uma temperatura de cerca de 600 °C. A linha inferior de resfriamento se estende do tempo t=40 seg a uma temperatura de cerca de 600 °C a t=140 seg e uma temperatura de cerca de 500 °C.

[050] Dentro dos dois regimes de resfriamento do envoltório de resfriamento, a taxa de resfriamento está em dois estágios. No estágio 1, que dura os primeiros 20 segundos na câmara de resfriamento, a taxa de resfriamento está entre cerca de 2,25 °C/s e 5 °C/s caindo até uma temperatura de entre cerca de 730 °C e 680 °C. O estágio 2 dura dos primeiros 20 segundos a 140 segundos nos quais a taxa de resfriamento está entre cerca de 1 °C/s e 1,5 °C/s até uma temperatura de entre cerca de 580 °C e 530 °C. Em seguida, os trilhos são resfriados ao ar à temperatura ambiente.

[051] A não ser que seja especificado do contrário, todas as porcentagens mencionadas no presente documento são expressas em peso.

[052] A descrição detalhada anterior de certas realizações exemplificativas da invenção foi fornecida com o propósito de explicar os princípios da invenção e sua aplicação prática, o que permite, desse modo, que os técnicos no assunto compreendam a invenção para várias realizações e com várias modificações conforme seja adequado ao uso particular contemplado. Essa descrição não é destinada a ser exaustiva ou limitar a invenção às precisas realizações reveladas. Embora apenas algumas realizações tenham sido reveladas em detalhes acima, outras realizações são possíveis e os inventores pretendem que essas sejam englobadas dentro desse relatório descritivo e do escopo das reivindicações anexas. O relatório descritivo descreve exemplos específicos para alcançar um objetivo mais geral que possa ser conquistado de outro modo. Modificações e equivalentes se tornarão aparentes para os técnicos no assunto que tenham referência a esse relatório descritivo e são abrangidos pelo escopo das reivindicações anexas e seus equivalentes adequados. Esta revelação é destinada a ser exemplificativa, e as reivindicações são destinadas a cobrir qualquer modificação ou alternativa que possa ser previsível por um técnico no assunto.

Claims (15)

1. MÉTODO DE PRODUÇÃO DE UM TRILHO DE GUINDASTE de parte superior endurecida de alta resistência, que compreende as etapas de: a) fornecer um trilho de guindaste de aço que tem uma composição que consiste, em percentual de peso: - 0,79 a 1,00% de carbono; - 0,40 a 1,00 de manganês; - 0,30 a 1,00 de silício; - 0,20 a 1,00 de cromo; - 0,05 a 0,35 de vanádio; - 0,01 a 0,035 de titânio; - 0,002 a 0,0150 de nitrogênio; e - o restante sendo ferro e impurezas inevitáveis, em que otrilho de guindaste de aço é fornecido a uma temperatura entre 700 e 800 °C; b) resfriar o trilho de guindaste de aço a uma taxa de resfriamento que, se representada em um gráfico com coordenadas xy, sendo que o eixo geométrico x representa o tempo de resfriamento em segundos, e o eixo geométrico y representa a temperatura em °C da superfície da parte superior do trilho de guindaste de aço, é mantida em uma região entre uma representação gráfica limítrofe de taxa de resfriamento superior definida por uma linha superior que conecta as coordenadas xy (0 s; 800 °C), (40 s; 700 °C) e (140 s; 600 °C), e uma representação gráfica limítrofe de taxa de resfriamento inferior definida por uma linha inferior que conecta as coordenadas xy (0 s; 700 °C), (40 s; 600 °C) e (140 s; 500 °C), c) método sendo caracterizado por a taxa de resfriamento de 0 segundo a 20 segundos representada no gráfico tem uma média dentro de uma faixa entre 2,25 °C/s e 5 °C/s, em que a taxa de resfriamento de 20 segundos a 140 segundos representada no gráfico tem uma média dentro de uma faixa entre 1 °C/s e 1,5 °C/s.

2. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a composição consistir, em percentual de peso: - 0,8 a 0,9 de carbono; - 0,7 a 0,8 de manganês; - 0,5 a 0,6 de silício; - 0,2 a 0,3 de cromo; - 0,05 a 0,1 de vanádio; - 0,02 a 0,03 de titânio; - 0,008 a 0,01 de nitrogênio; e - o restante sendo ferro e impurezas inevitáveis.

3. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado por a composição compreender, em percentual de peso: 0,87 de carbono; 0,76 de manganês; 0,54 de silício; 0,24 de cromo; 0,089 de vanádio; 0,024 de titânio; 0,011 de fósforo; 0,006 de enxofre; 0,009 de nitrogênio; e o restante sendo predominantemente ferro.

4. MÉTODO, de acordo com qualquer uma das reivindicações1 a 3, caracterizado por o trilho de guindaste ter uma porção de parte superior que tem uma microestrutura completamente perlítica.

5. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a parte superior do trilho de guindaste tem uma dureza Brinell média de pelo menos 370 HB a uma profundidade de 9,5 mm (3/8 polegadas) do centro superior da parte superior de trilho de guindaste; pelo menos 370 HB a uma profundidade de 9,5 mm (3/8 polegadas) dos lados da parte superior de trilho de guindaste; e pelo menos 340 HB a uma profundidade de 19 mm (3/4 polegadas) do centro superior da parte superior de trilho de guindaste.

6. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por o trilho de guindaste ter um limite de elasticidade de pelo menos 827,37 MPa; uma resistência à ruptura final de pelo menos 1.241,05 MPa, um alongamento total de pelo menos 8% e uma redução de área de pelo menos 20%.

7. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a etapa de fornecimento de um trilho de guindaste de aço compreende as etapas de: - formar uma fusão de aço a uma temperatura de entre 1.600 °C a 1.650 °C através da adição sequencial de manganês, silício, carbono, cromo, seguida por titânio e vanádio em qualquer ordem ou em combinação para formar a fusão; - desgaseificar a vácuo a fusão para remover adicionalmente oxigênio, hidrogênio e outros gases potencialmente prejudiciais; - fundir a fusão em blocos; - aquecer os blocos fundidos a 1220 °C; - laminar o bloco em um bloco "laminado" que emprega uma pluralidade de passagens em um desbastador de bloco; - colocar os blocos laminados em uma fornalha de reaquecimento; - reaquecer os blocos laminados a 1220 °C para fornecer uma temperatura de laminação de trilho uniforme; - descarepar o bloco laminado; - passar o bloco laminado sequencialmente através de um laminador desbastador, laminador desbastador intermediário e um laminador de acabamento para criar um trilho de aço com acabamento, em que o laminador de acabamento tem uma temperatura de acabamento de saída de 1.040 °C; - descarepar o trilho de aço com acabamento acima de de 900 °C para obter um óxido secundário uniforme; e - resfriar ao ar o trilho com acabamento entre 700 °C a 800 °C.

8. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a etapa de resfriamento do trilho de guindaste de aço compreende resfriar o trilho com água por 140 segundos.

9. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por a etapa de resfriamento do trilho de guindaste de aço com água compreende resfriar o trilho de aço com jatos de aspersão de água.

10. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por a água que compreende os jatos de aspersão de água ser mantida a uma temperatura entre 10 e 16 °C.

11. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por a etapa de resfriamento do trilho de guindaste de aço com jatos de aspersão de água compreender direcionar os jatos de água no topo da parte superior do trilho, os lados da parte superior do trilho, os lados da alma do trilho e o pé do trilho.

12. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por a etapa de resfriamento do trilho de guindaste de aço com jatos de aspersão de água compreender passar o trilho de aço através de uma câmara de resfriamento que inclui os jatos de aspersão de água.

13. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por a câmara de resfriamento compreender quatro seções e a vazão de água em cada seção ser variada dependendo da exigência de resfriamento em cada uma das seções.

14. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado por a vazão de água na primeira seção/seção de entrada da câmara de resfriamento ser de 25 m3/h, a vazão de água na segunda seção da câmara de resfriamento ser de 21 m3/h, a vazão de água na terceira seção da câmara de resfriamento ser de 9 m3/h; e a vazão de água na quarta/última seção da câmara de resfriamento ser de 10 m3/h.

15. MÉTODO, de acordo com a reivindicação 8, caracterizado por a etapa de resfriamento do trilho de guindaste de aço compreender adicionalmente a etapa de resfriamento do trilho em ar à temperatura ambiente após a etapa de resfriamento do trilho com água por 140 segundos.

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