PT90543B - Processo e instalacao para o arrefecimento de um produto metalico vazado em continuo - Google Patents
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Description
INSTITUT DE RECHERCHES DE LA SIDERURGIE
FRANÇAISE (IRSID en abrégé
PROCESSO E INSTALAÇAO PARA 0 ARREFECIMENTO DE UM PRODUTO
METÁLICO VAZADO EM CONTINUO
A presente invenção diz respeito a um processo para o arrefecimento de um produto metálico no decurso de vazamento contínuo, destinado a diminuir e inclusivamente eliminar a presença de uma importante zona segregada na parte central do produto. Este processo é aplicável vantajosamente ao vazamento contínuo de produtos de aço considerados dificilmente vazáveis de acordo com esta técnica, como os aços que têm um grande intervalo de solidificação, isto é, por exemplo, aqueles cujo teor de carbono se situa entre 0,25 e 1 , 5 ?ó aproximadamente.
Para a boa compreensão do que vai seguir-se, será conveniente considerar o produto em curso de solidificação como a combinação de três corpos concêntricos, a saber: um anel constituído pela crosta exterior, ou pele, já solidificada, que contém outro anel em estado pastoso, que rodeia o núcleo líquido de metal em fusão. Estado pastoso significa, na presente memória descritiva, um estado em que o metal se encontra a uma temperatura compreendida entre o líquido e o sólido, e em que coexistem em proporções variáveis metal líquido e cristais sólidos. No decurso da extracção do produto, este corre lentamente ao longo da máquina enquanto arrefece, de maneira que a solidificação avança da periferia para o centro. 0 núcleo líquido e o anel pastoso têm assim perfis cónicos cujas pontas estão orientadas para a parte inferior da máquina. As entrefaces entre estes diversos corpos concêntricos constituem, respectivamente, tal como é costume denominá-las, as frentes de solidificação findável e começante. Numa fase avançada da solidificação, o núcleo líquido desaparece (fundo do poço de solidificação começante), e apenas subsistem uma crosta solidificada e um núcleo pastoso. Em uma fase ulterior, a zona pastosa desaparece por sua vez (fecho do poço de solidificação findável) e o produto está completamente solidificado.
A solidificação e arrefecimento do produto em curso de vazamento efectuam-se normalmente em três zonas sucessivas da máquina de vazamento contínuo, a saber, no sentido do avanço do produto durante a sua extracção:
- a lingoteira, onde o metal líquido entra em contacto com paredes boas condutoras do calor e energicamente arrefecidas
por meio de circulação de água. E nesta zona, denominada de arrefecimento primário, que começa a formação da pele solidificada que contém o núcleo líquido do produto, e que o produto toma a sua forma definitiva;
- a zona denominada de arrefecimento secundário, que começa logo abaixo da lingoteira e se prolonga numa extensão variável conforme as condições locais. Nesta zona, a pele solidificada do produto que vai passando é regada com um fluido de arrefecimento (geralmente água pulverizada, ou uma mistura ar-água), o que tem o efeito de acelerar o avanço das frentes de solidificação começante e findável em direcção ao interior do produto. No entanto, no local onde cessa a aspersão de água, a solidificação completa do produto não se faz, e o núcleo do produto mantém-se no estado líquido;
- e a porção de máquina que se segue à zona de arrefecimento secundário. 0 produto em circulação já aí não é regado e arrefece de maneira natural. E nesta zona que se completa a solidificação do núcleo do produto.
arrefecimento forçado do produto em lingoteira e depois de sair da lingoteira proporciona um crescimento rápido da espessura de pele solidificada, a fim de limitar os riscos de penetração e aumentar de maneira notável a velocidade de extracção do produto, de que depende directamente a produtividade da máquina de vazamento contínuo.
- 4 Por outro lado, a solubilidade no ferro dos elementos de liga, como o carbono, é menor quando o ferro está no estado sólido do que quando se encontra no estado líquido. No anel pastoso, portanto, há localmente no líquido diferenças de concentração, por exemplo de carbono.
Se, no interior do anel pastoso, houver movimento do líquido enriquecido em carbono, isso traduz-se pela presença, no centro do produto completamente solidificado, de zonas denominadas segregadas, onde a concentração de carbono (e/ou outros elementos segregadores) é bastante maior do que nas outras zonas. Os outros elementos de liga têm um comportamento análogo ao do carbono, e a localização das zonas segregadas pode ser deduzida das experiências correntemente denominadas impressões Baumann, que permitem referenciar a distribuição do enxofre numa secção polida do produto. Estas zonas segregadas, também referenciáveis em ataques metalográficos, têm uma influência perniciosa sobre a homogeneidade das propriedades mecânicas do produto. Assim, a concentração relativamente mais importante de carbono no centro conduz a uma dureza maior nestas zonas do que no resto do produto após laminação.
Este fenómeno é particularmente acentuado no caso dos aços muito carregados com elementos de liga, tais como os que contêm 0,5 a 1,5%' de carbono e correntemente denominados aços com grande intervalo de solidificação, como a gradação de aço para rolamentos 100 C6, por exemplo. Uma impressão Baumann, feita numa
amostra do produto retirada segundo o eixo longitudinal deste, mostraria que as segregações se distribuem em volta do eixo do produto, segundo vês cujos mecanismos de formação ainda não estão, aliás, completamente esclarecidos.
Tentou-se resolver este problema com a aplicação de uma agitação e1ectromagnética do metal na zona de solidificação pastosa, de maneira a forçar o líquido segregado a distribuir-se por uma zona mais extensa. Mas ao fazer-se isto, corrigem-se de facto os efeitos sem atacar verdadeiramente as causas do fenómeno. Além disso, esta técnica implica a aquisição de um indutor de agitação e custos de funcionamento não desprezáveis.
objectivo da presente invenção é propor uma solução simples e económica para diminuir e mesmo eliminar as zonas fortemente segregadas no núcleo dos produtos vazados em contínuo, atacando a própria causa da sua formação. Pode juntar-se a uma agitação e1ectrornagnética ou substituí-la na zona de fim de solidificação pastosa.
Para este efeito, a invenção tem como objecto um processo de arrefecimento de um produto metálico, designadamente de aço, em curso de vazamento contínuo, caracterizado por se efectuar um arrefecimento forçado do produto, enquanto este último se encontra em fase de solidificação pastosa, sendo este arrefecimento conduzido de maneira tal que a concentração térmica diferencial entre o núcleo pastoso e a crosta já completamente so-
lidificada que o envolve, provoque permanentemente um efeito de aperto do núcleo pela crosta. Este arrefecimento é feito numa zona que se prolonga pelo menos entre o local onde, na ausência desse arrefecimento, a velocidade de arrefecimento do núcleo pastoso do produto excederia a da superfície do produto, e um local onde o comportamento termomecânico do núcleo pastoso em curso de arrefecimento é idêntico ao da crosta exterior so1idi ficada.
Conforme se terá compreendido, a invenção consiste de facto em utilizar a crosta exterior solidificada como um torno que acompanha a contracção do núcleo durante o arrefecimento. Por outras palavras, o diâmetro interior do anel formado pela crosta solidificada deve diminuir mais depressa do que o diâmetro pastoso diminuiria se a crosta não exercesse nenhuma acção sobre o núcleo. Este torno é posto em acção, pela térmica, simplesmente por meio de um arrefecimento acelerado da superfície do produto na parte inferior da máquina, no lugar onde habitualmente se deixava o produto arrefecer naturalmente.
Indicou-se mais acima que as causas de formação dos vês segregados na parte central do produto vazado não estavam presentemente perfeitamente identificadas e explicadas.
Todavia, a hipótese formulada pelos inventores, na suposição de que é a mais provável e que subtende a presente invenção, pode ser exposta esquematicamente da maneira seguinte.
Durante a travessia da zona de arrefecimento secundário a pele do produto arrefece rapidamente, enquanto o núcleo líquido se mantém a uma temperatura quase constante. A passagem do produto na zona de arrefecimento natural, o arrefecimento da pele, que já não é regada, torna-se muito mais lento. Por outro lado, tendo em conta o comprimento habitual da zona de arrefecimento secundário, só quando o produto já está muito introduzido na zona de arrefecimento natural a temperatura do núcleo (que está então no estado pastoso), tende a descer de maneira notável.
A parte interna pastosa do produto arrefece então mais rapidamente do que a camada sólida que a envolve e sofre uma contracção térmica mais forte. As restrições mecânicas assim criadas libertam-se por formação de fendas no bloco central previamente pastoso, fendas essas nas quais pode penetrar, por aspiração, líquido muito segregado.
Assim, no produto completamente solidificado, as localizações destas fendas serão referenciadas pela sua grande concentração de elementos de liga, que conduzem aos defeitos citados anteriormente.
No caso dos aços muito carregados com elementos de liga, tais como o carbono, como o 100 06 por exemplo, o afastamento entre as temperaturas de início e de fim de solidificação é relativamente importante, e a solidificação pastosa pode, portanto, efectuar-se numa zona mais extensa do que no caso das gradações com pouca liga. Isto, juntamente com uma maior sensibilidade à segregação dos elementos entre as fases líquida e sólida, explica a razão pela qual as gradações aliadas estão neste ponto sujeitas à formação de zonas segregadas na zona axial dos produtos vazados em contínuo. Em certos casos extremos, esses defeitos tornam impossível a obtenção de produtos acabados com qualidade suficiente, e impõem o dever de renunciar aos produtos por vazamento contínuo.
Acabamos de ver rapidamente como a invenção, provocando uma contracção térmica da crosta sólida periférica, contraria as veleidades do produto em formar estas fissuras internas responsáveis das zonas centrais muito segregadas. Todavia, a invenção será bem compreendida e outras caracteristicas e vantagens irão ser postas em evidância com a descrição pormenorizada que se segue, feita em referência aos desenhos anexos, nos quais:
- a figura 1 representa esquematicamente uma instalação de vazamento contínuo curva de semiprodutos de aço, de concepção clássica;
- a figura 2 representa a instalação da figura 1, modificada de acordo com a invenção por adição de uma rampa de arrefecimento na zona de fim de solidificação do produto;
- a figura 3 mostra um caso de evolução das velocidades de arrefecimento da superfície e do núcleo do produto durante
a sua passagem na parte inferior da máquina. Estão representados os dois casos da ausência e da presença de um dispositivo de arrefecimento na zona de fim de solidificação do produto.
A figura 1 é um corte esquemático longitudinal de uma instalação clássica de vazamento contínuo, e apresenta designadamente o produto em curso de solidificação. Uma bolsa, não representada, fornece aço líquido 1 a um cesto distribuidor 2.
ácido líquido 1 corre em seguida para uma ou mais lingoteiras 3 com paredes de cobre ou liga de cobre arrefecidas energicamente por água. E em cada uma destas lingoteiras ou zonas de arrefecimento primário ζχ) que se inicia pela sua periferia a solidificação de um produto 4 que toma assim a sua secção definitiva. A lingoteira representada na figura 1 tem uma curvatura, e esta reaparece no produto. 0 caso da lingoteira recta que dá origem a um produto também recto existe na prática industrial. Logo abaixo da lingoteira 3 começa a zona de arrefecimento secundário , na qual o produto 4 é regado num comprimento variável conforme as máquinas, por meio de uma rampa de injectores 5. Estes projectam sobre todo o contorno do produto um fluido refrigerante, geralmente água pulverizada ou atomizada. Vem seguidamente a zona de arrefecimento natural , onde uma máquina clássica tal como a esquematizada não tem meios de arrefecimento do produto. Na parte inferior da máquina estão os meios (não representados) de descimbramento do produto, encarregados de lhe dar uma forma recta, e meios (não representados) ο
de corte do produto em pedaços para acertar o seu comprimento.
A figura 1 permite distinguir várias zonas concêntricas no interior do produto em curso de vazamento, correspondentes ao estado f/síco da matéria gue contêm. Numa secção do produto situada na parte superior da máquina (por exemplo na zona (V) ), encontram-se sucessivamente três zonas. No núcleo (zona 6) o metal está inteiramente no estado líquido; a secção desta zona diminui a medida da solidificação do produto, e, depois do ponto de fecho do poço líquido 7, já não há metal líquido isolado.
Em volta do núcleo líquido 6, uma zona pastosa 8 correspondente ao metal em curso de solidificação, contém simultaneamente líquido e sólido. A proporção do sólido aumenta à medida que a temperatura diminui. Em volta da zona pastosa, a crosta 9 é constituída apenas por metal solidificado. Para além do ponto de fecho do poço de solidificação findável 10, esta zona 9 cobre o conjunto do produto, cuja solidificação está agora acabada
A figura 2 apresenta a máquina de vazamento contínuo da figura 1 modificada de acordo com a invenção. Os elementos comuns com a figura 1 são designados pelos mesmos números. A diferença entre as duas configurações reside na junção à máquina original de uma segunda rampa de injector 11, situada na zona (ZJ da máquina em que o produto acaba a sua solidificação.
A figura de evolução da mostra exemplos de evolução da velocidade V temperatura do metal na superfície e no núcleo
1
à medida que o produto avança na zona ζζ) da máquina na qual termina a sua solidificação. Este avanço é expresso pela distância D ao menisco, isto é, à superfície do metal líquido em lingoteira. As curvas foram traçadas com base em modelos matemáticos análogos 'aqueles de que dispõem os utilizadores de máquinas de vazamento contínuo. São válidas para as condições de vazamento seguintes:
- formato do produto: lingotes de aço com secção quadrada, com 105 mm de lado,
- composição do produto: aço com 0,7% de carbono,
- velocidade de extracção do produto: 3,3 m/min.
Nestas condições, a solidificação completa do produto é realizada a uma distância de 11,20 m do menisco, representada na figura pela linha S.
As curvas A e B correspondem ao caso da figura 1, em que o produto, na parte terminal da máquina, não está sujeito a nenhum arrefecimento forçado. A curva A representa a velocidade de evolução da temperatura na superfície do produto. A curva mostra que esta velocidade se mantém aproximadamente constante (ou seja uma perda de 0,5°C/s) ao longo de todo o comprimento da zona considerada. A curva B representa a velocidade de evolução da temperatura do núcleo pastoso do produto. A curva mostra que, no início da zona considerada, esta temperatura se mantém praticamente constante. Só a partir de uma distância ao
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menisco de aproximadamente 8 m, o arrefecimento do núcleo pastoso se acelera de maneira notável. Para além de uma distância ao menisco de 9,5 m, o núcleo pastoso começa a perder mais de
0,5°C/s, e, portanto, a arrefecer mais depressa do que a superfície. Isso provoca uma contracção térmica do núcleo mais forte do que a da superfície, fenómeno que se viu, segundo a hipótese elaborada pelos inventores, ser a causa dos defeitos sobre o produto que a invenção tem como objecto evitar.
As curvas C e D correspondem ao caso da figura 2, em que o produto, de acordo com a invenção, é sujeito a um arrefecimento forçado na zona (T) de fim de solidificação por meio da rampa de injectores 11. Estas curvas foram traçadas na hipótese em que o produto é regado, entre as distâncias ao menisco de 8,40 m e 11,20 m, com água com um caudal de 12 m3 por hora e por m2 de produto regado, caudal este que é repartido de maneira homogénea pelo conjunto da zona de rega. A curva C representa a velocidade de evolução da temperatura da superfície do produto, e a curva D representa a velocidade de evolução da temperatura do núcleo pastoso. A montante da zona de arrefecimento, estas curvas confundem-se respectivamente com as curvas A e B.
A partir do começo da zona de arrefecimento forçado, o arrefecimento da superfície acelera-se repentinamente, para atingir 9°C/s à distância ao menisco de 9 m. Seguidamente, o arrefecimento torna-se cada vez mais lento, devido à deterioração cada vèz maior da qualidade das permutas térmicas entre a água de
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arrefecimento (cujo caudal e temperatura são constantes) e o produto (cuja temperatura diminui à medida que avança na zona de arrefecimento). Simultaneamente, o arrefecimento forçado tem como consequência acelerar o arrefecimento do núcleo pastoso, mas este efeito só se faz sentir tardiamente (a partir da distância ao menisco de 10 m), e progressivamente. No fim de contas, só a uma distância ao menisco de 11 m, o arrefecimento do núcleo pastoso se torna mais rápido que o da superfície do produto. Neste nível, o núcleo pastoso acabou praticamente de se solidificar, e o seu comportamento termomecânico é suficientemente análogo ao da crosta completamente solidificada para que o fenómeno de contracção térmica diferencial seja desprezável, e que os vês segregados não possam ser formados.
exemplo descrito acima, como é evidente, tivo. Pode traçar-se uma figura análoga à figura quer máquina de vazamento contínuo, sobre a qual um produto dado em condições definidas.
não é limita3 para qua 1 fosse vazado
Entende-se que, para além do local em que a fracção sólida do núcleo pastoso do produto atinge 90%, é inútil continuar a rega. Em alguns casos, é mesmo suficiente regar apenas até uma fracção sólida de 60%.
Aconselha-se a continuar o arrefecimento forçado do produto até cerca de 1 m para além do ponto de fim de solidificação
- 14 determinado por cálculo, tendo em conta a incerteza existente quanto a este cálculo. £ neste espírito que na figura 3, a rampa de arrefecimento 11 está representada como se se prolongasse para além do ponto 10. Analogamente, a incerteza de cálculo sobre a determinação do ponto de intersecção entre as curvas A e
B da figura 3 é de - 1 m aproximadamente. A escolha do ponto em que começa o arrefecimento forçado deve ter em conta esta incerteza. Aconse1ha-se, portanto, que se coloquem os primeiros injectores da rampa 11 a pelo menos 1 m a montante do referido ponto de intersecção. Mas é preciso também ter a certeza que este avanço do início do arrefecimento não vá provocar um cruzamento prematuro das curvas C e D da figura 3, isto é, um cruzamento que ocorresse num ponto em que a fracção sólida do núcleo pastoso fosse menor do que 60?ó pelo menos.
Os caudais de água de arrefecimento recomendados são da ordem de 8 a 15 m’/h e por m3 de metal regado. De preferência, escolhe-se um caudal de 12 m3/m3.h.
Este processo é facilmente adaptável a todas as máquinas de vazamento contínuo destinadas à fabricação de produtos de aço. Está concebido mais especialmente para o vazamento de gradações de aço que contêm aproximadamente 0,25 a 1 , 5 ?ó de carbono.
Uma variante deste processo consistiria em conceber a rampa de arrefecimento 11 de maneira que o caudal de fluido refrigerante variasse entre o início e o fim da zona de arrefecimento. 0 valor do caudal global médio no conjunto da zona não
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seria alterado em relação à configuração descrita anteriormente. Desta maneira, seria possível controlar melhor o fluxo de calor extraído do produto ao longo da zona de arrefecimento, com o fim de atenuar a diminuição, visível na figura 3, da velocidade de arrefecimento na superfície do produto. Assim, aumentar-se-ia a probabilidade de ter até ao fim extremo da solidificação, um arrefecimento no núcleo menos rápido do que na pele.
Por outro lado, observou-se que uma boa homogeneidade do núcleo do produto sobre o qual se ia aplicar o processo era favorável à reprodutividade dos bons resultados metalúrgicos pretendidos. Verificou-se que esta homogeneidade podia ser obtida vantajosamente fazendo deslocar o núcleo líquido na zona do arrefecimento secundário, ou mesmo em lingoteira. Esta movimentação pode ser obtida favoravelmente com a utilização de meios e1ectromagnéticos de agitação, de agora em diante muito conhecidos no domínio do vazamento contínuo. Estes meios podem ser constituídos por indutores polifásicos anulares dispostos em torno do produto vazado, que criam um campo magnético que gira em volta do eixo de vazamento, ou ser constituídos por indutores polifásicos com estrutura plana, que produzem um campo deslizante, paralelamente ao eixo de vazamento ou perpendicularmente a este último. A literatura é abundante de agora em diante a propósito deste tipo de agitação. Para mais pormenores, poderão consultar-se, se se desejar, os documentos seguintes:
6
a patente de invenção francesa N9. 2 315 344 para a agitação por meio de campo rotativo em lingoteira, a patente de invenção francesa N?. 2 211 305 relativa à agitação por meio de campo rotativo na zona do arrefecimento secundário, a patente de invenção 1uxemburguesa N?. 67 753 relativa à agitação por meio de indutores que produzem um campo deslizante e perpendicularmente ao eixo de vazamento na zona do arrefecimento secundário.
As descrições destes diversos documentos são incluídas por referência na presente memória descritiva.
E claro que a invenção não se limita aos exemplos descritos, mas que se aplica a múltiplas variantes ou equivalentes na medida em que são respeitadas as características evocadas nas reivindicações anexas. Em particular, o processo de acordo com a invenção pode aplicar-se a máquinas de vazamento contínuo verticais, rectas ou curvas, assim como 'as máquinas de vazamento contínuo horizontal, e assim como ainda às instalações existentes ou futuras para o vazamento contínuo directo de produtos com pequena espessura.
Por outro lado, a invenção não se aplica limitativamente aos semiprodutos siderúrgicos, mas amplia o seu domínio de aplicação a qualquer produto metalúrgico vazado em contínuo, ou capaz de o ser.
Analogamente também, a invenção aplica-se indiferentemente
-17a qualquer produto metalúrgico vazado em contínuo, qualquer que seja o seu formato: barras espessas de ferro maleável, lingotes de aço ou ferros para fundição, designadamente os destinados a serem novamente fendidos para formar barras espessas de ferro maleável.
Claims (14)
1. - Processo para o arrefecimento de um produto metálico, designadamente de aço, durante vazamento em contínuo, caracterizado por se efectuar um arrefecimento forçado do produto quando este está no núcleo em fase de solidificação pastosa, sendo o referido arrefecimento realizado de maneira que a contracção térmica diferencial entre o núcleo pastoso e a crosta exterior jã completamente solidificada provoque permanentemente um efeito de aperto do núcleo pela crosta.
2, - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o arrefecimento forçado ser efectuado numa zona que se prolonga ao longo da mãquina de vazar pelo menos entre o local onde, não havendo esse arrefecimento, a velocidade de arrefecimento do
-19núcleo pastoso do produto excederia a da superfície do produto, e um local onde o comportamento termomecânico do núcleo pastoso em curso de arrefecimento é igual ao da crosta exterior solidificada.
3. - Processo de acordo com uma qualquer das reivindicações
1 ou 2, caracterizado por se manter o arrefecimento de maneira que o efeito de aperto do núcleo pastoso pela crosta solidificada prossiga até um ponto em que a proporção de matéria solida no interior do núcleo pastoso seja de 60% pelo menos.
4. - Processo de acordo com uma qualquer das reivindicações
1 ou 2, caracterizado por se efectuar o arrefecimento forçado por projecção de um fluido arrefecedor sobre a superfície do produto vazado, tal como ãgua.
5. - Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por se efectuar o arrefecimento com ãgua com um caudal médio com3 2 preendido entre 8 e 15 m por hora e por m de produto regado.
6. - Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por se escolher para o referido caudal médio um valor de cerca de 3 2
12 m por hora e por m de produto regado.
7. - Processo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado por o caudal de fluido de arrefecimento variar entre o início e o fim da zona de arrefecimento.
8. - Processo de acordo com as reivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado por ser aplicado ao vazamento de produtos de aço cujo teor ponderai de carbono é da ordem de 0,25 a 1,5%.
9. - Processo de acordo com uma qualquer das reivindicações 1, 2, 3 ou 4, caracterizado por se efectuar, simultaneamente, uma movimentação do núcleo líquido do produto com o emprego de meios de agitação.
10. - Processo de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por os referidos meios de agitação serem constituídos por pelo menos um indutor de campo electromagnético móvel.
11. - Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por se utilizar um indutor que envolve o produto vazado e gera um campo magnético que roda em torno do eixo de vazamento.
12. - Processo de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por se utilizar um indutor de estrutura plana que produz um campo deslizante no interior do produto vazado.
13. - Instalação de vazamento contínuo de produtos metálicos, designadamente de aço, caracterizado por, com o fim de aplicar o processo de arrefecimento de acordo com as reivindicações 1 e 2, haver meios de arrefecimento do produto montados na porção terminal do comprimento metalúrgico.
14,- Instalação de vazamento contínuo de acordo com a reivin dicação 9, caracterizada por os referidos meios de arrefecimento serem constituídos por rampas de rega que projectam um fluido de arrefecimento sobre a superfície do produto vazado,
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