BRPI0707378B1 - Processo para o tratamento térmico de produtos de aço, em particular de tiras ou chapas de aço - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSO PARA O TRATAMENTO TÉRMICO DE PRODUTOS DE AÇO, EM PARTI- CULAR DE TIRAS OU CHAPAS DE AÇO". A presente invenção refere-se a um processo para tratamento térmico de produtos de aço, em particular de tiras ou chapas de aço, nas quais o produto, em uma zona de booster tendo pelo menos um queimador, é trazida de uma temperatura de partida até uma temperatura objetivada, o queimador ou queimadores sendo operados com um combustível, e um gás contendo oxigênio o gás contendo oxigênio contendo mais de 21% de oxi- gênio, e o produto entrando em contato direto com a(s) chama(s) gerada(s) pelo(s) queimador(es).

Para produzir tiras de aço revestidas (por exemplo, galvanizadas por imersão a quente), as tiras a serem revestidas são inicialmente totalmen- te limpas, são aquecidas em um forno contínuo e então recozidas em uma atmosfera redutora para produzir as propriedades desejadas do material.

Isto é seguido pela operação real de revestimento em um banho de fusão adequado ou usando-se um processo adequado.

Durante a fase de aquecimento no forno contínuo, o aço deve ser aquecido sob condições definidas para permitir melhor ajuste das propri- edades necessárias nas etapas subseqüentes do processo. Dependendo do tipo de aço usado, este pode ser um meio para que a oxidação seja minimi- zada, ou para efetuar deliberadamente um certo grau de oxidação.

Até agora o aquecimento de tiras de aço foi executado em for- nos contínuos nos quais as tiras de aço passam através de uma zona de convecção e uma zona de aquecimento. Na zona de aquecimento as tiras são aquecidas usando-se queimadores, e na zona de convecção conectada antes da zona de aquecimento elas são aquecidas pelos gases quentes de combustão dos queimadores da zona de aquecimento. Em particular, na zo- na de convecção, é difícil controlar-se o grau de oxidação, uma vez que o perfil da temperatura nessa zona é dependente, entre outras coisas, do comprimento da zona de convecção e da temperatura e quantidade dos ga- ses de combustão. A composição dos gases de combustão na zona de convecção é determinada pelo modo de operação dos queimadores e, se for adequado, pelo ar escoado que penetra no forno contínuo. Isto significa que as condi- ções de aquecimento na zona de convecção são substancialmente determi- nadas pelas demandas impostas aos queimadores na zona de aquecimento.

Por essas razões, o ajuste controlado do perfil de temperaturas na zona de convecção não foi possível até agora.

Portanto, é um objetivo da presente invenção desenvolver um processo para o tratamento térmico dos produtos de aço que permita o ajus- te controlado das condições de aquecimento.

Esse objetivo é alcançado por um processo para o tratamento térmico de produtos de aço, em particular de tiras ou chapas de aço, no qual o produto, em uma zona de booster tendo pelo menos um queimador, é tra- zido de uma temperatura inicial até uma temperatura almejada, o queimador ou queimadores sendo operados com um combustível, em particular um gás combustível, e um gás contendo oxigênio, o gás contendo oxigênio contendo mais de 21% de oxigênio, e o produto entrando em contato direto com a(s) chama(s) gerada(s) pelo(s) queimador(es), e que é caracterizado pelo fato de que o produto é movido através da zona de booster na direção de trans- porte, e pelo fato de que a chama envolve o produto em toda a sua periferia transversal mente à direção de transporte e que dentro da chama a razão de ar λ é ajustada como uma função da temperatura inicial e/ou da temperatura almejada. O termo "zona de booster" deve ser entendido como significan- do um forno de tratamento térmico ou uma zona do forno de tratamento tér- mico no qual há pelo menos um queimador que é operado com um gás combustível e um gás contendo oxigênio, o gás contendo oxigênio contendo mais de 21% de oxigênio. O queimador é arranjado ou operado de tal forma que o produto a ser tratado entra em contato direto com a chama do quei- mador. A razão de ar λ indica a razão da quantidade de oxigênio forne- cida durante a combustão para a quantidade de oxigênio necessária para a conversão estequiométrica do combustível usado. Com um excesso de oxi- gênio, λ é > 1, isto é, a combustão ocorre sob condições super- estequiométricas. Consequentemente, uma reação sub-estequiométrica com perda de oxigênio é denotada por λ < 1.

De acordo com a invenção a chama ou as chamas estão muito próximas da superfície do produto de aço. A superfície d aço age como um catalisador, e qualquer combustível não reagido é queimado posteriormente na superfície do aço. Aproximando-se o produto de aço na totalidade de sua seção transversal das chamas, uma atmosfera bem definida de aquecimento e tratamento é criada na superfície. Portanto, as propriedades de superfície do produto de aço podem ser modificadas de maneira bem definida e, por exemplo, é possível oxidar-se a superfície do aço ate um grau específico predeterminado. A invenção é bem adequada para o tratamento de aços lamina- dos a frio e laminados a quente. Oxidando-se a superfície do aço de acordo com a invenção, o aço é bem preparado para o subseqüente revestimento ou galvanização.

Os termos temperatura inicial e temperatura almejada em cada caso se referem à temperatura da superfície ou, dependendo da espessura do material, à temperatura do núcleo do produto de aço respectivamente antes e após o tratamento usando-se o queimador ou os queimadores da zona de booster. No caso de chapas finas com uma espessura de até 5 mm, a temperatura da superfície e a temperatura do núcleo estão muito próximas.

No caso de corpos de prova mais grossos, entretanto, essas temperaturas podem diferir consideravelmente uma da outra. Nesse último caso, tanto a temperatura da superfície quanto a temperatura do núcleo são selecionadas como temperatura inicial e temperatura almejada, dependendo da aplicação particular.

Nesse caso, a temperatura almejada não precisa ser necessari- amente maior que a temperatura inicial. Está também dentro do escopo da presente invenção que a temperatura do produto seja mantida a um nível constante na zona de booster. Nesse caso, a temperatura inicial e a tempe- ratura almejada são idênticas. É ainda concebível que a temperatura alme- jada esteja abaixo da temperatura inicial, por exemplo, se o produto de aço estiver sendo resfriado de alguma forma e o queimador ou queimadores da zona de booster forem usados para evitar um resfriamento excessivo ou pa- ra controlar o grau de resfriamento.

De acordo com a invenção, portanto, o tratamento térmico dos produtos de aço é executado em uma zona de booster tendo um queimador que é operado com um combustível, em particular um gás combustível, e com maiôs de 21 % de oxigênio. O agente oxidante utilizado é o ar enriquecido com oxigênio ou o oxigênio tecnicamente puro. É preferível que o teor de oxigênio do agente oxidante seja maior que 50%, particularmente preferivelmente mai- or que 75%, muito particularmente preferivelmente mais de 90%. O enriquecimento do oxigênio por um lado atinge uma maior temperatura da chama e, portanto, um aquecimento mais rápido do produto de aço, e por outro lado melhora as propriedades de oxidação.

De acordo com a invenção, o produto de aço é diretamente ex- posto à chama do queimador, isto é, o produto de aço ou parte do produto de aço entra em contato direto com a chama do queimador. Queimadores desse tipo, que são operados com um combustível e um gás contendo oxi- gênio com um teor de oxigênio de mais de 21% e cuja chama é orientada de tal forma que o produto de aço entre em contato direto com a chama, são também referidos abaixo como queimadores de booster. Os queimadores de booster podem ser usados, em princípio, em qualquer local desejado dentro do processo de tratamento térmico. O aquecimento convencional das tiras de aço em fornos contí- nuos é executado usando-se queimadores que são arranjados acima e/ou abaixo da tira de aço e cujas chamas são direcionadas para o material refra- tário em volta do forno. O material refratário então irradia a energia térmica de volta para a tira que passa pelo forno. Portanto, a chama não age direta- mente na tira de aço, mas ao invés age apenas indiretamente sobre ela por meio da radiação do material refratário que foi aquecido pela chama. A ação direta da chama no produto de aço de acordo com a in- venção permite que as condições do tratamento térmico sejam ajustadas de forma definida. De acordo com a invenção, dentro da chama a estequiome- tria da combustão, isto é, a razão λ, é selecionada como uma função da temperatura inicial e/ou da temperatura almejada.

Testes que formaram o precursor para a invenção revelaram que é favorável para a estequiometria dentro da chama do queimador de booster ser deslocado na direção de um teor menor de oxigênio à medida que a temperatura do produto de aço aumenta para alcançar resultados óti- mos de tratamento térmico.

Para aços padrão, como exemplo, as relações dependentes en- tre o valor λ e a temperatura do produto de aço mostrado na Figura 1 mos- trou ser vantajosa. Por exemplo, a 100Ό é preferível selecionar um valor de λ de 1,12, a 200Ό um valor de λ de 1,07, a 400Ό um valor de λ de 1,00, e a 600Ό um valor de λ de 0,95. Entretanto, o tratamento térmico tem tam- bém resultados positivos dentro de uma faixa de tolerância do valor de λ de ± 0,05. A forma na qual cada valor de λ é dependente da temperatura pode desviar da curva ilustrada na Figura 1, dependendo do tipo de aço. É vantajoso que o valor de λ dentro da chama seja ajustado em função da temperatura inicial do produto de aço. Entretanto, é também pos- sível que a temperatura almejada possa ser usada como parâmetro para a seleção do valor de λ. Em particular, no caso de operações de aquecimento relativamente rápido, nas quais a temperatura almejada desvia significativa- mente da temperatura inicial, ficou provado ser expediente que ambas as temperaturas, ou seja, a temperatura inicial e a temperatura almejada, sejam levadas em consideração na seleção do valor de λ.

Em adição à zona de booster conforme a invenção é vantajoso fornecer pelo menos um a outra zona de tratamento, na qual o produto é trazido de uma temperatura inicial até a temperatura almejada, em cujo caso o valor de λ é também preferivelmente ajustado em função da temperatura inicial e/ou da respectiva temperatura almejada na zona de tratamento adici- onal. Um tratamento térmico definido pode dessa forma pode, dessa forma, ser executado na(s) zona(s) de tratamento adicional bem como na zona de booster. É particularmente expediente se pelo menos uma das zonas de tratamento adicionais for igualmente uma zona de booster. Nessa variante do processo, portanto, há pelo menos duas zonas de booster nas quais o produto de aço é aquecido usando-se em cada caso pelo menos um quei- mador booster, isto é, um queimador que é operado com oxigênio ou ar en- riquecido com oxigênio e com um combustível e cuja chama age diretamente no produto de aço. Em cada uma das zonas de booster, é vantajoso que o valor de λ seja ajustado em função da temperatura inicial e/ou da temperatu- ra almejada da respectiva zona de booster. O gás de combustão formado durante a operação dos queima- dores do booster é preferivelmente queimado retardadamente no dueto do gás de combustão em função de seu teor de CO.

Ficou provado ser vantajoso que o produto seja acionado por uma densidade de fluxo de calor de 300 a 1000 kW/m2 na zona de booster.

Em outras palavras, a capacidade de calor transferida para o produto de aço pelos queimadores do booster por metro quadrado da área de superfície é de 300 a 1000 kW. Apenas o uso, conforme a invenção, de ar enriquecido com oxigênio, mesmo através do uso de oxigênio de grau técnico com um teor de oxigênio de mais de 80%, permite tal alto nível de transferência de calor. Como resultado, os produtos de aço podem ser aquecidos mais rapi- damente em uma curta distância, com o resultado de que ou o comprimento dos fornos contínuos pode ser consideravelmente reduzido ou seu rendi- mento pode ser consideravelmente aumentado. É particularmente expediente que o produto seja movido através da zona de booster na direção do transporte, em cujo caso a chama envolve o produto por toda a sua periferia transversalmente à direção de transporte. O produto de aço, por exemplo, uma tira de aço, é transportado através do forno ao longo da direção de transporte. A chama de pelo menos um quei- mador de booster age no produto de aço transversal mente à direção de transporte, com a chama envolvendo completamente o produto de aço, isto é, no local do tratamento a seção transversal do produto de aço está com- pletamente dentro da chama. A chama circunda o produto de aço na direção perpendicular à direção de transporte. Isso resulta em um calor uniforme e definido no produto de aço por toda a seção transversal, desde que a este- quiometria na chama seja ajustada de acordo com a invenção.

Dependendo da forma e geometria do produto de aço a ser trata- do, pode ser necessário que as regiões de borda e a região do núcleo do pro- duto de aço sejam aquecidas em diferentes extensões. Nesse caso, é expedi- ente que a chama do queimador do booster ou dos queimadores de booster não seja usada como uma chama completamente envolvente, conforme men- cionado acima, mas ao invés ser direcionada deliberadamente em certas re- giões, por exemplo, apenas nas regiões das bordas, do produto de aço. A ação direta da chama do queimador do booster no produto de aço também permite que a temperatura almejada na zona de booster seja influenciada deliberadamente pela variação da geometria da chama. A invenção é adequada, em particular, para o tratamento térmi- co de produtos de aço, em particular tiras de aço ou chapas de aço, que se- jam capazes de serem submetidas a um tratamento/revestimento subse- qüente em um banho de fusão ou outro processo adequado. Por exemplo, antes da galvanização por imersão a quente, é vantajoso que os produtos que devem ser galvanizados sejam tratados termicamente de acordo com a invenção. A invenção e outros detalhes da invenção estão explicados em maiores detalhes abaixo com base em configurações exemplares ilustradas nos desenhos, nos quais: Figura 1 mostra a forma na qual o valor de λ é dependente da temperatura do produto a ser tratado, Figura 2 mostra o arranjo dos queimadores do booster pa- ra gerar uma chama envolvente, Figura 3 mostra o arranjo de três zonas de booster para preaquecer uma tira de aço em um forno contínuo, Figura 4 mostra a curva do valor de λ e a temperatura do produto de aço em uma configuração específica da invenção, Figura 5 mostra o uso de uma zona de booster para limpar o produto de aço, Figura 6 mostra a forma na qual a temperatura do aço é dependente do comprimento do forno em um arranjo conforme mostrado na Figura 5, e Figura 7 mostra o uso de uma zona de booster após uma zona convencional de preaquecimento. A Figura 2 mostra dois queimadores de booster 1, 2 que são usados de acordo com a invenção para aquecer uma tira de aço 3 a partir de uma temperatura inicial até uma temperatura almejada. A tira 3 é transporta- da através de um forno contínuo (não mostrado) em uma direção perpendi- cular à direção de transporte e perpendicular à superfície da tira 4. As cha- mas 5 geradas pelos queimadores de booster 1,2 envolvem toda a seção transversal da tira de aço 3. Nas chamas 5, a estequiometria é ajustada de forma definida em função da temperatura inicial e da temperatura almejada.

As chamas envolventes 5 conforme a invenção garantem um aquecimento e um tratamento uniforme e definido da tira de aço 3. O processo conforme a invenção é preferivelmente usado para limpar e/ou aquecer produtos de aço na forma de tiras em fornos contínuos. A invenção oferece vantagens particulares para o aquecimento ou pré- tratamento de produtos de aço antes de um processo subseqüente de reves- ti mento/galvanização por imersão a quente. As Figuras 3 a 7 a seguir mos- tram vários arranjos possíveis de uma ou mais zonas de booster em um for- no contínuo, em particular em um forno contínuo no qual são executadas as etapas de trabalho que geralmente precedem um processo de galvanização por imersão a quente. A Figura 3 descreve por meio de diagramas o uso de zonas de booster para limpar e preaquecer tiras de aço. Uma tira de aço que tenha sido produzida por laminação a frio/laminação a quente deve ser aquecida- tratada, por exemplo, por uma galvanização por imersão a quente subse- qüente. Para esse propósito, a tira de aço, que está à temperatura ambiente, é alimentada até uma primeira zona de booster 6, na qual a tira é substanci- almente limpa e preaquecida em uma primeira etapa. De acordo com a baixa temperatura inicial da tira, um valor de λ relativamente alto de 1,3 é selecio- nado nessa zona e a tira de aço é aquecida até 400°C sob essas condições super estequiométricas.

Para o posterior aquecimento da tira de aço, há duas zoas de booster 7,8, nas quais a tira é aquecida inicialmente de 400 Ό a 600Ό e então até a temperatura de acabamento desejada de 650Ό. Para esse pro- pósito, a tira de aço em ambas as zonas de booster 7,8, bem como na zona de booster 6, é aquecida em cada caso usando-se uma pluralidade de quei- madores operados com ar enriquecido com oxigênio e um gás combustível, as chamas dos queimadores agindo diretamente na tira de aço. Os queima- dores são arranjados preferivelmente de tal forma que a tira de aço, confor- me mostrado na Figura 2, seja completamente envolvida pelas chamas dos queimadores sobre sua seção transversal. O valor de λ nas chamas dos queimadores na zona de booster 7 é, nesse caso, ajustada para um valor de 0,96, e o valor de λ das chamas dos queimadores na zona de booster 8 é ajustada para um valor de 0,90. Após ter passado pelas zonas de booster 6, 7, 8, a tira de aço é exposta a uma atmosfera redutora em uma seção 9 do forno. A Figura 4 ilustra a curva da temperatura de uma tira de aço que deve ser aquecida e o valor de λ dentro das chamas que aquecem a tira de aço sobre seu comprimento de um forno de tratamento térmico diferente. O forno é, nesse caso, dividido em seu comprimento L em uma pluralidade de zonas de booster, o valor de λ em cada zona de booster sendo reduzido em etapas de acordo com a respectiva temperatura inicial dessa zona de boos- ter. O resultado é uma ótima combinação das condições de tratamento tér- mico com as condições de temperatura instantânea. A Figura 5 mostra uma configuração da invenção na qual o(s) queimador(es) do booster é/são usado(s) para limpar uma chapa de aço que está contaminada com resíduos de laminação após a laminação a quente e/ou a frio. Uma zona de booster 10 é ajustada para os primeiros 2,5 m de comprimento do forno. Nessa zona curta 10, a tira de aço é aquecida de 20Ό a 30013 e os resíduos de laminação que estão p resentes são queima- dos. Nessa zona 10, o valor de λ é ajustado para um valor entre 1,1 e 1,6, isto é, são estabelecidas condições de combustão super-estequiométricas. A zona de booster 10 é adjacente a uma zona comprida de pré aquecimento 11 de 40 m, na qual a tira de aço é trazida até a temperatura almejada desejada de, por exemplo, 650Ό. O calor n a zona de preaqueci- mento 11 é executado sob condições sub-estequiométricas com um valor de λ de 0,96 antes da tira de aço ser transportada para um forno de redução 12. A Figura 6 ilustra a temperatura da tira de aço em função de sua posição em um forno contínuo conforme mostrado na Figura 5. A linha ponti- lhada mostra a curva de temperatura quando se usa um arranjo de queima- dores convencional na zona de booster 10, isto é, sem os queimadores de booster conforme a invenção. A temperatura da tira aumenta apenas lenta- mente; na primeira zona 10, é observado apenas um aumento insignificante na temperatura.

Em contraste, a linha sólida mostra a curva de temperatura quando se usa queimadores de booster na zona de booster 10 conforme descrito em relação à Figura 5. Um aumento na temperatura para mais de 300Ό é alcançado dentro dos primeiros 2,5 m do com primento do forno, isto é, na zona de booster 10. É, dessa forma, possível aumentar a capacidade do forno em 25%. A linha sólida mostra a curva de temperatura para uma taxa de produção de 85 toneladas por hora, enquanto que a linha pontilhada- tracejada representa a curva de temperatura se a produção for aumentada para 105 toneladas por hora.

Finalmente, a Figura 7 mostra uma variante da invenção, na qual a zona de booster 14 é arranjada imediatamente antes da zona de re- dução 15 do forno de tratamento térmico. Inicialmente o produto de aço é aquecido da temperatura ambiente até 55013 em uma zona de preaqueci- mento convencional 13. A seguir vem uma zona de booster 14, na qual o produto de aço é aquecido até 650Ό. Nesse caso esp ecífico, os queimado- res de booster são operados sob condições super-estequiométricas com um valor de λ de 1,1 para efetuar a oxidação controlada da tira de aço na zona de booster 14.

Em adição aos arranjos mostrados nas figuras, a zona ou zonas de booster pode(m) ser posicionada(s) em outros locais dentro do processo de tratamento térmico. Em princípio, uma zona de booster pode ser provei- tosamente empregada em qualquer lugar em que o produto de aço deva ser tratada termicamente tão rapidamente quanto possível em uma atmosfera definida.

Em particular, foi provado ser favorável para o produto de aço ser submetido ao tratamento térmico conforme a invenção em uma zona de booster após um tratamento térmico de redução. Nessa zona de booster, é preferível que a temperatura do produto de aço seja apenas levemente au- mentada ou mesmo ser mantida ao mesmo nível de temperatura. Nesse ca- so, a zona de booster é usada para influenciar o material de maneira contro- lada por meio de uma atmosfera definida, isto é, para ajustar a superfície, as propriedades ou a microestrutura do produto de aço de maneira desejada.

Claims (9)

1. Processo para o tratamento térmico de produtos de aço (3), em particular de tiras ou chapas de aço, no qual o produto (3), em uma zona de booster (6, 7, 8, 10, 14) tendo pelo menos um queimador (1, 2), é trazido de uma temperatura inicial até uma temperatura almejada, o queimador ou queimadores (1, 2) sendo operados com um combustível, em particular um gás combustível, e um gás contendo oxigênio, o gás contendo oxigênio con- tendo mais de 21% de oxigênio, e o produto (3) entra em contato direto com a(s) chama(s) (5) geradas pelo(s) queimador(es) (1, 2), caracterizado pelo fato de que o produto (3) é movido através da zona de booster (6, 7, 8, 10, 14) em uma direção de transporte, e pelo fato de que a chama (5) envolve o produto (3) por toda a sua periferia transversal mente à direção de transporte e que dentro da(s) chama(s) (5) a razão de ar λ é ajustada como uma função da temperatura inicial e/ou da temperatura almejada.

2. Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que são fornecidas zonas de tratamento adicionais (9, 11, 12, 13, 15) , nas quais o produto (3) é, em cada caso, trazido de uma temperatura inicial até uma temperatura almejada, a razão de ar λ em cada uma das zo- nas de tratamento (9, 11, 12, 13, 15) sendo ajustada como função da res- pectiva temperatura inicial e/ou da respectiva temperatura almejada.

3. Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que é fornecida uma pluralidade de zonas de booster (6, 7, 8), que são aquecidos cada um usando-se pelo menos um queimador (1, 2) que po- de ser operado com combustível, em particular um gás combustível, e um gás contendo mais de 21% de oxigênio, o produto (3) entrando em contato direto com a(s) chama(s) (5) gerada(s) pelo(s) queimador(es) (1,2).

4. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, carac- terizado pelo fato de que o produto (3) é acionado por uma densidade de fluxo de 300 a 1000 kW/m2 na zona de booster (6, 7, 8, 10, 14).

5. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, carac- terizado pelo fato de que a temperatura almejada em uma zona de booster (6, 7, 8, 10, 14) é influenciada usando-se a geometria da chama do(s) queimador(es) (1,2).

6. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, carac- terizado pelo fato de que o processo compreende as seguintes etapas: - aquecimento do produto (3) até uma primeira temperatura al- mejada de 300 a 300Ό na zona de booster (6, 10). - aquecimento do produto (3) da primeira temperatura almejada até uma temperatura de 600 a 900Ό em pelo menos uma outra zona de tratamento (7, 8, 11).

7. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 6, carac- terizado pelo fato de que o processo compreende as seguintes etapas: - aquecimento do produto (3) até uma primeira temperatura al- mejada de 500 a 600Ό em uma primeira zona de trata mento (13), - aquecimento do produto (3) da primeira temperatura almejada até uma temperatura de 600 a 900Ό na zona de booster (14).

8. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 7, carac- terizado pelo fato de que o produto (3) é submetido a um processo de reves- ti mento/galvanização.

9. Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, carac- terizado pelo fato de que o produto (3) é exposto até uma atmosfera redutorae é então trazido à temperatura almejada na zona de booster.