Temperaturas de laminagem de arrefecimento e de acabamento para vários tipos de aço

No processo de trabalho a quente, a temperatura de acabamento influencia grandemente a microestrutura do aço. Temperaturas de acabamento mais elevadas aumentam a tendência para a coalescência e crescimento de grãos, resultando em grãos austeníticos mais grosseiros.

Por conseguinte, é crucial minimizar a temperatura de acabamento durante a produção, normalmente não descendo abaixo do ponto Ar3. Isto pode ser conseguido através de métodos controlados de laminagem e arrefecimento para refinar o tamanho do grão e melhorar a qualidade do produto.

Para os aços de baixo teor de carbono, a temperatura de acabamento deve ser mantida próxima dos 800°C, não devendo descer abaixo dos 750°C.

No caso dos aços com elevado teor de carbono, para evitar a formação de uma rede de cementite, a temperatura de acabamento durante a produção deve ser controlada em torno dos 850°C.

A combinação deste processo com o arrefecimento rápido após a laminagem pode suprimir eficazmente a precipitação de cementite proeutectoide, evitando a formação de uma rede de cementite ou, pelo menos, assegurando que é fina e facilmente eliminável sem etapas de processamento adicionais.

Em aços ao carbono hiper-eutectoides e aços de ligaA cementita em excesso forma uma rede ao longo dos limites dos grãos após a laminagem. Os aços com uma rede de cementite apresentam uma reduzida enformação a frio e uma maior tendência para fissurar durante o arrefecimento.

Para eliminar esta rede, são necessários tratamentos térmicos complexos, que podem nem sempre ser eficazes.

Por conseguinte, devem ser criadas condições para evitar a formação de uma rede de cementite após a laminagem. O acabamento a baixas temperaturas e o arrefecimento rápido após a laminagem podem atingir este objetivo.

Por exemplo, o aço GCr15 é arrefecido com água antes do laminador de acabamento para baixar a temperatura antes da laminagem final. O arrefecimento rápido após a laminagem é conseguido através de jactos de ar comprimido, seguido de um arrefecimento lento num poço.

O arrefecimento lento após a laminagem resulta em grãos ferríticos grosseiros, um ponto de rendimento mais baixoe um aumento da temperatura de transição frágil. A taxa de arrefecimento depende da dimensão da secção transversal do aço; as secções maiores são mais difíceis de arrefecer rapidamente e, por isso, têm geralmente propriedades mecânicas inferiores.

Nos países estrangeiros, os aços redondos são normalmente arrefecidos a ar após a laminagem, devido ao menor teor de gás no seu aço. A utilização do arrefecimento a água em linha pode ser mais eficaz, mas está limitada aos aços redondos com diâmetros inferiores a 75 mm. Embora o arrefecimento rápido ajude a reduzir a formação de bandas, em aços com elevado teor de manganês e grãos austeníticos grosseiros, pode levar à formação de ferrite de Widmanstätten.

Por conseguinte, o arrefecimento rápido após a laminagem deve ser combinado com uma temperatura de acabamento baixa. Quando o tamanho do grão austenítico é pequeno, mesmo um arrefecimento rápido não conduz à formação de ferrite de Widmanstätten.

Para os aços estruturais ligados laminados em trens de média dimensão, os de diâmetro inferior a 60 mm são arrefecidos em pilhas ao ar, enquanto os de diâmetro superior a 60 mm são arrefecidos em poços não aquecidos. O aço deve arrefecer no poço a 100-150°C durante pelo menos 30 horas.

Aço para rolamentos é propenso a manchas brancas, pelo que deve ser arrefecido lentamente após a laminagem ou tratado termicamente conforme especificado. Durante o carregamento, a temperatura não deve ser inferior a 700°C. Os biletes são colocados no poço até que a temperatura não atinja mais de 100-200°C, numa média de 72 horas.

Mesmo a temperaturas de acabamento mais baixas, o arrefecimento lento pode levar à formação de uma rede de cementite no aço.

Para o evitar, cada barra deve ser arrefecida individualmente, o mais rapidamente possível, até atingir valores inferiores a 650°C.

A taxa de arrefecimento do aço para rolamentos sem rede de cementite depende da temperatura final de laminagem; a 900-950°C, a taxa deve ser de pelo menos 45-50°C/min, que pode ser reduzida à medida que a temperatura de acabamento diminui.

Controlando a temperatura final de acabamento adequada (próxima do ponto Ac3) e combinando-a com uma taxa de redução adequada (cerca de 40%), é possível obter estruturas metalúrgicas ideais e propriedades mecânicas óptimas em aços de baixo e médio carbono, bem como em aços-liga, aços para molas e aços para rolamentos.

Para o efeito, são instaladas caixas de arrefecimento de água antes das duas últimas bancadas do laminador de acabamento de barras. Para garantir temperaturas internas e externas uniformes nas peças laminadas de arrefecimento rápido, é instalada uma secção de equalização de temperatura antes do grupo do laminador de acabamento.

Os métodos de arrefecimento do aço pós-laminagem incluem:

• No ar.
• Em materiais com baixa condutividade térmica.
• Em caixas de isolamento.
• Em poços de isolamento não aquecidos.
• Em poços e fornos de isolamento pré-aquecidos.
• Em poços e fornos de isolamento aquecidos.
• Na água.

Os tipos de aço representativos e os seus métodos de laminagem e arrefecimento controlados incluem

1. Aços para chumaceiras e molas

Estes requerem um acabamento a baixas temperaturas, seguido de um arrefecimento lento isolado. Para evitar a precipitação de carbonetos de rede, os aços para rolamentos são arrefecidos rapidamente após a laminagem e depois arrefecidos lentamente.

A temperatura de acabamento do aço para rolamentos é rigorosamente controlada entre 800-850°C para ajudar a quebrar os carbonetos da rede.

Quando a temperatura de acabamento excede os 900°C, o aço pode ser pulverizado com água para arrefecer rapidamente até 600-650°C (para evitar uma maior precipitação de carbonetos de rede) e depois arrefecido lentamente. São instaladas caixas de água de arrefecimento antes do laminador de acabamento para controlar a temperatura das peças que entram no laminador.

2. Temperado e revenido Aços

Estes aços têm uma estrutura de sorbite temperada e são utilizados em peças de alta resistência, de impacto ou de carga alternada, como bielas e veios. Oferecem um elevado desempenho mecânico global devido à sua elevada resistência e limites de elasticidade, bem como ductilidade e tenacidade suficientes.

O esquema de produção inclui 225 000 toneladas de aço estrutural de carbono de qualidade e 225 000 toneladas de aço estrutural de liga, representando 90% da produção total. O controlo da temperatura de um volume tão grande de aço proporciona uma vantagem competitiva.

3. Qualidade dos aços estruturais ao carbono e dos aços estruturais ligados

Ambos são aços hipoeutectoides com uma temperatura de têmpera cerca de 30-50°C acima do AC3. Para os aços redondos com um diâmetro inferior a 40 mm, são instaladas caixas de água de arrefecimento antes do moinho de acabamento para refinar o tamanho do grão e obter uma estrutura martensítica após a têmpera.

De seguida, os aços são temperados a altas temperaturas abaixo de A1 para transitarem para uma estrutura temperada estável. Para os aços redondos de maior diâmetro, o controlo de temperatura em linha é praticado por fabricantes como a fábrica ABS LUNA em Udine, Itália, que produz aços redondos de 20 a 100 mm de diâmetro, incluindo aço-carbono, aço temperado à superfície, aço temperado e revenidoAços microligados, aços para rolamentos, aços para molas e aços inoxidáveis. Controlam a temperatura de aços de 20 a 90 mm de diâmetro em linha.

Tendo em conta o posicionamento dos produtos da Shigang (Shi Steel) e a evolução das necessidades dos utilizadores de aço, tornou-se essencial fornecer aços para automóveis e orientar-se para os mercados de topo de gama.

A oferta de estruturas metalúrgicas ideais e de propriedades mecânicas óptimas proporciona uma vantagem competitiva. Ao considerar os regimes de arrefecimento, devem ser instaladas caixas de arrefecimento a água antes e depois do laminador de acabamento, principalmente para aços redondos com menos de 40 mm, para um controlo de temperatura em linha.

A instalação de caixas de arrefecimento de água após o moinho de acabamento é objeto de debate internacional. Para os aços redondos de grande diâmetro, considera-se que apenas remove as incrustações e melhora a qualidade da superfície, tendo pouco efeito no refinamento do grão e podendo causar um tamanho de grão interno irregular.

O controlo em linha da temperatura aumentaria, sem dúvida, o comprimento da linha de laminagem e o investimento. O comprimento da caixa de arrefecimento de água a instalar após o laminador de acabamento não é muito aconselhado, sendo a fábrica ABS LUNA em Itália uma referência, com uma caixa de 55 metros de comprimento.

Tendo em conta o desenvolvimento a longo prazo e os requisitos de qualidade, deve ser considerado o controlo da temperatura em linha. A instalação inicial de caixas de arrefecimento a água após o laminador de acabamento pode, pelo menos, remover as incrustações e melhorar a qualidade da superfície. Os regimes de aquecimento, laminagem final e arrefecimento para vários aços estão detalhados na Tabela 1.

Tabela 1: As temperaturas de aquecimento, laminagem de acabamento e arrefecimento de vários tipos de aço.

Rolagem controlada

Teoria da laminagem controlada

No processo de laminagem a quente, o controlo razoável do aquecimento do metal, da deformação e dos regimes de temperatura permite a combinação da transformação de fase em estado sólido e da deformação termoplástica para obter estruturas de grão fino, melhorando assim a qualidade global da propriedades mecânicas do aço.

Para os aços de baixo carbono e baixa liga, a laminagem controlada refina principalmente os grãos austeníticos deformados, dando origem a grãos ferríticos finos e colónias de perlite mais pequenas após a transformação da austenite em ferrite e perlite. Este facto aumenta a resistência, a tenacidade e a soldabilidade.

Para os aços com elevado teor de carbono e hiper-eutectoides, a laminagem a temperatura controlada refina os grãos austeníticos deformados e termina a laminagem perto da austenite ponto de transformação.

1. Laminagem termo-mecânica

Atualmente, a laminagem termomecânica de aços redondos está limitada a diâmetros inferiores a 40 mm, principalmente em aços de baixo carbono e baixa liga, com o objetivo de refinar os grãos ferríticos. A temperatura de laminação de acabamento situa-se entre 750°C e 790°C.

Antes e depois da laminagem de acabamento, é necessário um arrefecimento a água. No caso dos aços redondos de maior diâmetro, as temperaturas desiguais entre a superfície e o núcleo após o arrefecimento com água podem causar microfissuras na superfície e tamanhos de grão inconsistentes entre o núcleo e a superfície durante a recristalização, conduzindo a uma integridade estrutural desigual ao longo da secção transversal.

2. Rolagem normalizada

Para os aços redondos entre 40mm e 80mm, utiliza-se a laminagem normalizada, com os últimos quatro passes totalizando 50-60% de deformação. O aço é equilibrado antes de entrar no laminador de acabamento, com uma temperatura de acabamento de 800°C a 850°C, seguida de arrefecimento rápido.

3. Laminagem com temperatura controlada

A temperatura de acabamento varia entre 850°C e 900°C, seguida de um arrefecimento controlado para melhorar a qualidade da superfície.

Para os aços com elevado teor de carbono, este processo produz colónias de perlite mais finas; para os aços hiper-eutectoides, reduz a precipitação de carbonetos de rede.

Processos de laminagem da Shi Steel

Para qualidades de aço como 20#, 45#, 20CrMo, 20CrMnTi, 40Cr, 40MnB, produzindo aços redondos de 50 mm a 80 mm de diâmetro, é utilizada a laminagem normalizada.

No entanto, é necessário um equilíbrio antes do moinho de acabamento, o que aumenta a distância do processo e reduz a produção. A deformação nas últimas quatro passagens é aumentada para garantir uma maior precisão do produto e uma deformação uniforme em toda a secção transversal, sugerindo a adição de um laminador de calibragem, o que aumenta o investimento. Para diâmetros superiores a 80 mm, é necessária uma laminagem a temperatura controlada.

Para produzir aço plano para molas, é utilizada a laminagem termomecânica. O acabamento na zona de dupla fase ferrite-austenite refina os grãos austeníticos deformados, dando origem a grãos ferríticos finos e a colónias de perlite mais pequenas, aumentando assim a resistência e a tenacidade do aço.

No entanto, isto requer o arrefecimento com água antes e depois da laminagem de acabamento, o que aumenta o investimento e prolonga a zona de laminagem.

No caso do aço para rolamentos, é necessária uma laminagem a temperatura controlada para evitar a precipitação de carbonetos de rede e melhorar a qualidade da superfície.

Tendo em conta o investimento e a localização do processo, a Shi Steel utiliza a laminagem a temperatura controlada, baixando a temperatura inicial de laminagem, controlando a temperatura de acabamento e implementando o arrefecimento controlado após a laminagem para obter uma boa qualidade da superfície e da estrutura interna.

Tabela 2: Processo de laminagem para diferentes tipos de aço e especificações