Porque é que as pequenas impurezas no aço têm tanta importância? Estas inclusões não metálicas, apesar de minúsculas, influenciam profundamente as propriedades e a capacidade de utilização do aço. Este artigo analisa as suas origens, classificações e os avanços no seu controlo ao longo dos anos. Desde a melhoria da qualidade do aço até à superação de desafios de produção, a compreensão destas inclusões é fundamental. Continue a ler para descobrir os mecanismos subjacentes à sua formação, o impacto das modernas técnicas de fundição e o futuro do refinamento do aço.
Resumo:
As inclusões não metálicas desempenham um papel crucial na determinação de muitas propriedades do aço e têm um impacto significativo no processamento e utilização de produtos de aço.
Este artigo apresenta uma visão geral dos últimos desenvolvimentos na origem e classificação de inclusões não metálicas e resume o trabalho de investigação efectuado nas últimas décadas.
Destaca as condições dinâmicas da formação de inclusões e o efeito das actuais condições de fundição na composição, quantidade e distribuição do tamanho das inclusões.
O estudo da desnaturação por inclusão centra-se nos tipos de aço, como o fio de aço radial, o aço para molas e o aço para rolamentos para obter o tamanho e a forma desejados das inclusões.
Além disso, devem ser tomadas medidas para evitar o entupimento do bocal de vazamento contínuo pelo fluxo floculento.
Com o avanço da microscopia microeletrónica, as características de distribuição das inclusões são agora mais claramente compreendidas. O excitante domínio da "metalurgia do óxido" foi também abordado no contexto da engenharia de inclusões.
Por último, o artigo aborda a melhoria das características de inclusão e os desafios da realização de uma análise quantitativa.
Nas últimas décadas, foram feitos progressos notáveis no controlo inclusões no açoO aumento da produção de aço é um fenómeno que se deve, em grande parte, a uma compreensão mais profunda da interação entre a termodinâmica, a composição das escórias do aço fundido e o processo de fabrico do aço. Isto permite a otimização de inclusões e processos para melhorar as propriedades do aço.
No entanto, existem ainda alguns desafios importantes que têm de ser abordados e o processo de controlo e otimização da inclusão tem de ser continuamente melhorado.
Só há cinquenta anos é que se começou a prestar atenção ao estudo da não metálico (NMIs) no aço. Nessa altura, pensava-se que estas inclusões eram o resultado da corrosão de materiais refractários e da presença de vários fluxos de molde e escórias de topo.
No entanto, apesar da sua importância, o estudo das inclusões não era tão amplamente reconhecido como é atualmente. Isto deveu-se ao facto de os metalurgistas físicos se concentrarem geralmente no estudo das fases metálicas, em vez de não metálico fases como inclusões no aço.
Com o aumento da procura de aço de elevado desempenho em condições de serviço severas, tornou-se mais evidente a correlação entre o tipo, a dimensão e a distribuição das NMI e o desempenho do aço. Este facto levou a um interesse crescente no estudo da origem, características e comportamento das inclusões na fundição e processamento de produtos de aço.
Desde a década de 1980, foram feitos progressos significativos no controlo e na análise quantitativa das NMI, e o impacto destas inclusões nas propriedades do aço tem sido amplamente investigado. A engenharia de controlo das inclusões tornou-se um aspeto crucial da fundição, com o objetivo de alcançar as características de inclusão desejadas através de uma conceção adequada do processo e da produção de aço.
Neste artigo, abordamos a origem e o controlo das NMI, o comportamento das inclusões durante a maquinagem, a análise quantitativa e as características de distribuição das inclusões, bem como os mais recentes desenvolvimentos na engenharia de controlo de inclusões. No entanto, não abordamos em pormenor a influência das inclusões nas propriedades do aço, uma vez que se trata de um campo extenso e em rápido crescimento.
Para os interessados em aprofundar este tema, os livros clássicos de Kiessling e as conferências e comunicações da International Clean Steel Organization, realizadas de 3 em 3 ou 5 anos e patrocinadas pela Associação Mineira e Metalúrgica da Hungria, são fontes valiosas de conhecimento.
Com os avanços contínuos na tecnologia moderna de produção de aço, observa-se que as reacções de oxidação e os métodos de refinação são utilizados para eliminar elementos prejudiciais do aço.
Estas impurezas, como o enxofre do carvão e do coque, podem penetrar no ferro e no aço líquidos, mas a sua solubilidade no aço em solução sólida é bastante limitada.
Durante a solidificação, o aço fundido passa da frente de cristalização para o aço líquido, acabando por formar compostos de baixo ponto de fusão como o "FeO" e o "FeS" ou eutécticos que contêm ambos os compostos. Como resultado, este aço não é adequado para processos de trabalho a quente, como a laminagem e o forjamento.
Os óxidos, sulfuretos e elementos de liga (como o Mn) no aço apresentam uma relação complexa. No entanto, para produzir aço de alta qualidade, o teor de oxigénio e enxofre dissolvido no aço fundido deve ser reduzido.
Elementos como Mn, Al, Si podem ser utilizados como elementos de liga no aço, uma vez que possuem uma elevada afinidade com o oxigénio e podem ser desoxidados no aço fundido. Estes elementos desoxidados transformam-se em inclusões não metálicas de óxido.
Por outro lado, o aço contém enxofre, e a solubilidade do Ca e do Mg no aço é mínima. A sua afinidade com as terras raras e o S é suficientemente elevada para formar inclusões de sulfuretos não metálicos com um baixo ponto de fusão.
Como resultado, a maior parte do enxofre no aço é eliminada através da refinação e entra na escória, enquanto o enxofre restante precipita inclusões de sulfureto durante a solidificação.
Estas inclusões não metálicas podem ser classificadas em duas categorias com base no seu tipo: a composição química das inclusões (tais como inclusões de óxido e sulfureto) e a fase de formação da inclusão.
A solidificação marca o ponto limite na fase de formação das inclusões. As inclusões formadas antes da solidificação são conhecidas como inclusões primárias, enquanto as formadas durante e após a solidificação são referidas como inclusões secundárias.
Para além destas classificações, outras categorizações comummente utilizadas também podem ser confusas, como a origem das inclusões. As inclusões formadas durante o processo de fabrico do aço (como as inclusões de óxidos e sulfuretos) são classificadas como inclusões "endógenas", enquanto as que provêm de fontes externas (como as aparas refractárias e o pó de molde) são referidas como inclusões "exógenas".
Em geral, existem apenas algumas inclusões exógenas de partículas grandes que permanecem independentes do aço fundido durante um longo período de tempo e não reagem com ele. Isto mudou em relação ao passado, quando se acreditava que essas inclusões de partículas grandes provinham do refratário e do molde de fundição. No entanto, no aço moderno, estas inclusões de partículas grandes foram significativamente reduzidas.
Alguns alunos podem pensar erradamente que as inclusões exógenas são as inclusões não metálicas mais importantes, mas isso não significa que a interação entre o aço fundido e o refratário seja insignificante. A presença destas inclusões no aço indica que o aço fundido e o refratário têm um impacto. Se a definição de inclusões exógenas for alargada de modo a incluir a oxidação secundária e o envolvimento do pó de molde, obtém-se uma definição mais adequada de inclusões exógenas.
No entanto, continua a debater-se a classificação destas inclusões, uma vez que podem mudar durante o processo de fundição e nem sempre é claro qual o processo envolvido.
Finalmente, um método comum de classificação das inclusões não metálicas baseia-se no seu tamanho, dividindo-as em macroinclusões e microinclusões. A classificação proposta por Kiessling é frequentemente utilizada, em que as inclusões que causam danos imediatos aos produtos siderúrgicos durante o processamento ou a utilização são consideradas macroinclusões.
Deve notar-se que a classificação do tamanho das inclusões é subjectiva e que é difícil definir aleatoriamente a divisão das inclusões em macro e micro com base no tamanho.
Fig. 1 Fratura do fio radial do pneu durante a trefilagem devido à existência de partículas grandes de fase dura.
A inclusão é indicada por uma seta e a fotografia foi tirada utilizando uma técnica de retrodifusão do microscópio eletrónico de varrimento.
A elevada temperatura durante a produção de aço faz com que a reação de formação de inclusões se aproxime do estado de equilíbrio. Como resultado, a termodinâmica tornou-se uma ferramenta crucial para a compreensão das inclusões.
Durante muito tempo, a base termodinâmica da formação de inclusões tem sido um foco de investigação. No entanto, os dados de formação termodinâmica relacionados com inclusões em óxido de alumínio permanecem inconsistentes e contraditórios, o que faz com que seja uma área que merece um estudo mais aprofundado.
O alumínio é normalmente utilizado como desoxidante na produção de aço e o cálculo termodinâmico das inclusões geradas durante o processo não é problemático. No entanto, o processo de fundição de materiais de aço de nova geração com elevado teor de alumínio e manganês introduz incertezas.
A situação torna-se mais complexa quando a dissolução de Mg e Ca no aço é extremamente limitada. Apesar disso, os dados termodinâmicos relacionados com estes elementos continuam a ser amplamente estudados no processo de fabrico do aço.
Nas últimas décadas, o cálculo termodinâmico tem sido aplicado para resolver problemas complexos na produção e fundição de ferro e aço. No entanto, os métodos de cálculo convencionais ainda têm dificuldade em resolver estas questões.
A literatura tem discutido a aplicação do cálculo termodinâmico em vários aspectos da produção e fundição de ferro e aço, bem como problemas de inclusão relacionados.
A classificação das inclusões em primárias e secundárias pode ser útil na discussão da sua formação e remoção. Em princípio, é possível eliminar as inclusões primárias no aço.
No entanto, as inclusões secundárias formam-se durante a solidificação e não podem ser removidas. O melhor que se pode fazer é modificá-las para minimizar o seu impacto negativo no aço.
3.1.1 Nucleação e estrutura das inclusões
Na perspetiva de que as inclusões primárias formadas no aço líquido estão intimamente ligadas ao processo termodinâmico, são tidos em consideração dois aspectos fundamentais: a sua nucleação e as estruturas que dela resultam.
Em geral, quando um desoxidante é adicionado ao aço fundido, ele irá nuclear-se rapidamente. Isto deve-se ao facto de se observar uma elevada supersaturação durante a adição e a dissolução do desoxidante. Sigworth e Elliott realizaram uma avaliação exaustiva das condições de nucleação do silício e descobriram que o oxigénio dissolvido supersaturado é um requisito.
No entanto, a investigação de Miyashita e as observações industriais não demonstraram uma clara supersaturação durante a desoxidação do silício na produção de aço. Miyashita também comparou o oxigénio dissolvido e o oxigénio total e descobriu que a taxa de redução do oxigénio total é determinada pela taxa de remoção dos produtos desoxidados, conforme ilustrado na Figura 2.
Fig. 2 O oxigénio total e o oxigénio dissolvido no aço após a desoxidação do silício no banho fundido são medidos em função do tempo.
Em muitos estudos sobre desoxidação, a diferença entre o teor de oxigénio total e o teor de oxigénio dissolvido no aço depende da quantidade de inclusões de óxido que são geradas. Esta conclusão fundamental é demonstrada na Figura 3.
Fig. 3
Esta é uma ilustração básica de como o oxigénio total e o oxigénio dissolvido no aço são afectados pela quantidade de inclusões de óxido.
No exemplo, a desoxidação começa no ponto "a" e o alumínio é adicionado ao aço, começando com uma certa percentagem de oxigénio dissolvido, Oi.
Sem condições de nucleação no limite de nucleação, o óxido de alumínio forma-se no ponto em que o oxigénio dissolvido e o teor de alumínio atingem o ponto "c".
O teor total de alumínio no aço corresponde ao oxigénio dissolvido (O%) no aço. O oxigénio que entra na inclusão de óxido de alumínio permanece no aço fundido e corresponde ao ponto "b".
O processo de desoxidação do ponto "a" ao ponto "c" reage 2Al+3O=Al2O3 de acordo com a equação química.
Nota: Em geral, a diferença entre o alumínio total e o alumínio solúvel em ácido (% Als) é pequeno e difícil de medir.
A relação entre o teor de inclusão e o teor total de oxigénio (% Ot) no aço está estabelecida na literatura. Os baixos teores de inclusão e de oxigénio total requerem uma medição cuidadosa, como ilustrado na Fig. c.
A análise do oxigénio total consiste em determinar a densidade das inclusões de óxido na amostra de análise química e em contá-las utilizando a MEV (Microscopia Eletrónica de Varrimento).
Suitu e colegas estudaram a formação de inclusões de alumina numa investigação laboratorial de oxigénio supersaturado.
A utilização de Si (silício) como desoxidante não apresenta quaisquer problemas na produção de aço. No entanto, nas operações de fundição reais, a nucleação heterogénea é abundante e as condições observadas em laboratório não podem ser reproduzidas nas instalações de produção industrial.
É importante estudar a microestrutura do óxido de alumínio como núcleo de inclusão e o seu crescimento no aço. É por isso que o aço com alumínio é crucial para a produção industrial em grande escala.
Vários autores investigaram em pormenor a microestrutura do óxido de alumínio, a sua relação com o oxigénio supersaturado no aço e o impacto do tempo de fundição.
A Fig. 4, apresentada por Steinmetz e seus colaboradores, mostra a forma da inclusão correspondente à atividade típica do desoxidante e do oxigénio. A figura sugere que o oxigénio dissolvido supersaturado desempenha um papel crucial na morfologia da estrutura da inclusão.
Recentemente, Tiekink e colaboradores tentaram observar a relação funcional entre a estrutura de inclusão do óxido de alumínio, o oxigénio supersaturado e composição de alumínio, como mostra a Fig. 5. Este esforço é bastante complicado.
Fig. 4 Relação funcional entre a atividade regional do oxigénio, a atividade do alumínio e o crescimento do óxido
Fig. 5 Vista geral da morfologia das inclusões de alumina correspondentes a diferentes actividades de oxigénio e teor de Al no aço
A estrutura das inclusões de óxido tem um grande impacto nas propriedades do produto final. É importante notar que as inclusões formadas e crescidas nos estágios iniciais do aço líquido têm estruturas morfológicas distintas, como mostrado nas Figuras 4 e 6, devido ao efeito das inclusões umas sobre as outras (como ilustrado na Fig. 7). Se o tempo de refinação for prolongado, a forma da inclusão alterar-se-á em resultado da energia de superfície.
Fig. 6 Estrutura de algumas inclusões de alumina.
As inclusões extraídas da matriz do tarugo de fundição são dissolvidas. A estrutura em árvore do óxido de alumínio é representada pela linha pontilhada a. Um elemento filtrante fibroso é utilizado para reter as inclusões durante o processo de dissolução e actua como pano de fundo para as inclusões.
Fig. 7 Agregado de alumina recolhido de uma concha, profundamente corroído com ácido pícrico
3.1.2 Remoção de inclusões
A flutuação de inclusões não metálicas num banho estático de aço fundido pode ser calculada utilizando um método simples baseado nas limitações da lei de Stokes. Em profundidades normais de panela, a taxa de flutuação de inclusões de partículas pequenas é restrita e leva um tempo considerável para que elas atinjam a superfície da escória de aço. Este tempo de flutuação prolongado não é viável, especialmente para inclusões de óxido de alumínio. No entanto, a polimerização de impacto entre as inclusões ajuda-as a flutuar, tornando crítica a polimerização de agrupamento.
A importância desta agregação ascendente foi observada online por Emi e seus colegas. Eles observaram o comportamento de inclusões na interface entre aço e gás e descobriram que a agregação de óxido de alumínio ocorre rapidamente nessas condições. Por outro lado, as inclusões de aluminato de cálcio são difíceis de agregar, e a colisão completa só ocorre no líquido.
Wikstrom e os seus colaboradores expandiram a observação em linha da superfície da escória de aço e das inclusões na escória e confirmaram as descobertas de Emi na interface escória-aço. Emi e os seus colegas também notaram que quando o fenómeno ocorre na interface gás-aço, tal como na superfície das bolhas, não indica diretamente como o aço líquido se junta em aglomerados, o que é particularmente significativo para as inclusões líquidas. Outras forças podem ser relevantes neste caso.
Independentemente do facto de a inclusão ser sólida ou líquida, desempenha um papel crucial na polimerização de aglomerados. Durante muito tempo, acreditou-se que a agitação promovia a aglomeração de inclusões, mas o fator mais importante para as inclusões é a sua submersão na escória de refinação e no refratário da parede da panela. Lindskog e os seus colaboradores utilizaram um marcador radioativo para testar e localizar esta inclusão crucial na escória de refinação e na parede da panela.
Devido às limitações actuais, o BaO é o único marcador adequado que pode ser utilizado para avaliar a escória de refinação final capturada e o fluxo do molde no aço e o seu impacto na limpeza do aço. A utilização de traçadores de BaO é altamente eficaz na determinação do efeito da corrosão refractária da panela na limpeza do aço do número de calor.
O IRSID desenvolveu a utilização do elemento lantânio como marcador de inclusões de óxidos. La2O3 é muito estável e, quando adicionado ao aço, as inclusões de alumina já existentes podem ser identificadas pelo lantânio. As inclusões exógenas, que têm origem no fluxo de molde, podem ser localizadas utilizando óxidos alcalinos. O fluxo de molde é tipicamente usado apenas no processo contínuo de processo de fundição e contém óxidos alcalinos visíveis.
A maioria das inclusões removidas durante o período de refinação em panela são produtos desoxidados e passam por três fases: produção/agrupamento de inclusões separadas, movimento em direção à escória de refinação ou à parede refractária da panela e absorção pela escória de refinação e pelo refratário. O movimento das inclusões tem dois factores cruciais: a agitação da poça de fusão e o transporte para cima por bolhas ascendentes.
A maior parte dos resultados da refinação em panela mostram que o tamanho das bolhas de agitação de árgon na panela é demasiado grande para remover eficazmente as inclusões e reduzi-las no aço, a menos que seja utilizada uma grande quantidade de árgon. No entanto, os cálculos de Zhang e Taniguchi indicam que a agitação com árgon é eficaz quando a velocidade de fluxo do aço fundido é elevada e as bolhas são pequenas.
O bocal submerso SEN e o bocal longo da panela de fundição contínua têm um efeito notável na prevenção da oxidação secundária, e também foram observadas algumas vantagens no fluxo de aço do riser de tratamento de vácuo RH. A agitação da panela promove a flutuação da inclusão na escória em grupos. A investigação mostrou que aumentar a potência de agitação (utilizando agitação electromagnética) significa aumentar a energia cinética constante para remover a inclusão (medida pelo teor total de oxigénio no aço).
Fig. 8 Teor total de oxigénio no forno de refinação em panela ASEA-SKF em função da corrente de agitação e do tempo de processamento.
O teor final de oxigénio é determinado pelo teor de alumínio residual em cada forno.
As observações industriais sugerem que a remoção de inclusões atingirá o seu valor máximo numa energia de mistura específica.
Suzuki e a sua equipa foram os primeiros a relatar esta observação.
Os seus resultados são apresentados em função do trabalho específico da energia de mistura, realçando a importância da energia de mistura. A redução da eficácia da refinação para remover inclusões deve-se provavelmente à adição de refractários ao aço após a corrosão, ou ao envolvimento do aço com escórias, uma vez que as inclusões do tipo CaO e MgO aumentam sob forte agitação. Estes resultados são ilustrados na Figura 9.
Fig. 9 Influência da potência de mistura no grau de oxidação secundária. O ponto circular atingiu um teor de oxigénio total inferior a 20ppm
Mais tarde, Neifer e a sua equipa, juntamente com Ek e a sua equipa, utilizaram a dinâmica de fluidos computacional e modelos físicos para investigar a remoção de inclusões de óxido. A relação entre a taxa de fluxo de árgon na panela e a remoção de inclusões foi tratada como uma relação funcional.
Os resultados do modelo de Neifer indicaram que a eficiência da remoção de inclusões metálicas foi melhorada através da otimização do fluxo de gás. No entanto, observaram que o aumento do caudal de gás não tinha qualquer efeito na redução do teor total de oxigénio no aço, o que atribuíram à oxidação secundária do aço fundido em contacto com a atmosfera. Estas conclusões estão de acordo com os resultados da equipa de Suzuki.
A equipa Ek concluiu que a influência do caudal de árgon na remoção de inclusões era bastante reduzida e sugeriu a utilização de um caudal inferior para remover inclusões e limpar o aço fundido. No entanto, as medições industriais da equipa Neifer indicaram que o teor total de oxigénio no aço diminuía com o aumento do fluxo de gás. Recomendaram a utilização do transporte por convecção natural em experiências industriais para obter resultados óptimos. No entanto, devido aos dados de medição limitados em testes industriais de panelas de campo, é difícil tirar conclusões definitivas.
Recentemente, Zhang e Thomas recolheram muitas constantes cinéticas para utilização na relação funcional entre a remoção de inclusões de óxido e a potência de agitação, como se mostra na Figura 10. Recolheram dados de medição e tentaram determinar o esquema de mistura ideal. Também efectuaram simulações numéricas para reproduzir os dados de comportamento esperados da parte envolvente da Figura 10.
Fig. 10 Constante de remoção de oxigénio em função da potência de agitação em diferentes recipientes de reação metalúrgica secundária na fórmula d% Ot/dt=- kt
A equipa da Suzuki salientou que a otimização do processo de mistura pode resultar em oxidação secundária. A mistura excessiva pode levar à abertura de escória no topo da panela, expondo o aço fundido à atmosfera e causando o revestimento de escória na borda da abertura.
A Figura 11 ilustra a alteração da composição química das inclusões não metálicas durante o processo de dessulfuração com forte agitação. A presença de Ca e Mg nas inclusões confirma que a escória foi emulsionada.
Fig. 11 A relação entre a composição média de todas as inclusões não metálicas e a intensidade de agitação foi analisada por amostragem no forno de refinação, no cristalizador e na placa.
A equipa de Kaushik descobriu que a forte agitação aumenta a emulsificação da escória durante a dessulfuração. A prova estava no elevado teor de cálcio nas inclusões. No caso de agitação excessiva com árgon e escória de baixo teor, as inclusões de óxido de alumínio são regeneradas. Por conseguinte, é crucial otimizar a potência de agitação para eliminar as inclusões durante a refinação de aço fundido limpo.
A importância da oxidação secundária para a limpeza do aço não pode ser exagerada. A equipa de Nadif referiu a importância de controlar a oxidação secundária. Nas últimas décadas, as siderurgias adoptaram várias medidas para regular a oxidação secundária após a refinação.
O bocal submerso SEN e o bocal de panela são normalmente utilizados para isolar a atmosfera no vazamento contínuo de placas. Na produção de produtos longos, o tundish e o cristalizador são protegidos por gás inerte, o que se tornou a norma para a produção de aços de alta qualidade.
Deve ser dada especial atenção ao projeto da válvula de gás inerte para evitar a intrusão de ar causada pela pressão negativa no sistema da válvula. A contribuição da tensão superficial das inclusões ligadas à escória de refinação é a mais elevada, seguida da capacidade da escória para dissolver as inclusões.
Independentemente da composição da escória, a maior parte da escória de refinação e das inclusões são húmidas devido à diferença de energia superficial entre as inclusões e o aço fundido, e entre as inclusões e a escória de refinação. Este fenómeno tem sido discutido há muitos anos e foi resumido por Olette. A fração líquida na escória de refinação promove a remoção de inclusões não metálicas, o que era conhecido desde o início da literatura e confirmado por experiências.
No entanto, ainda existem algumas inconsistências na viscosidade da escória. Nakajima e Okamura propuseram um modelo para explicar o processo de passagem das inclusões através da interface aço-escória. Mais tarde, muitos estudos aprofundaram o tema da absorção de inclusões pela escória. Nakajima e Okamura sugeriram que, sob certas condições, as inclusões entram na escória a partir do aço, que pode incluir uma película metálica da interface como um canal, enquanto noutros casos, especialmente com inclusões sólidas, essa película metálica não existe, como mostra a Fig. 12.
A Fig. 12 mostra dois tipos de inclusões que atravessam a interface aço-escória, introduzidos por Nakajima. O número de Reynolds das inclusões que atingem a interface determina o seu comportamento
A conclusão da equipa de Sridhar é que a viscosidade da escória e a energia de superfície associada são factores cruciais na determinação da passagem das inclusões através da interface e na redução da probabilidade de estas regressarem ao aço fundido. Isto é resumido pelo número de Reynolds quando a inclusão está próxima da interface.
Recentemente, a equipa observou online o canal de fluxo desta película, o que é uma ocorrência comum. Na maioria dos casos, o percurso da inclusão que entra na escória é alargado. Assim que sai do aço fundido, a inclusão líquida é imediatamente dissolvida na escória.
Através da observação em linha, a termodinâmica da dissolução de inclusões sólidas pode ser estudada experimentalmente. Nalguns casos, a dissolução é controlada pelo transporte (difusão na camada limite), enquanto noutros, como a inclusão de MgO, a formação da camada intermédia depende da composição química da escória e pode dificultar a dissolução em várias fases químicas da refinação. Este facto foi confirmado pelos resultados obtidos com métodos técnicos comuns anteriores.
Recentemente, a equipa de Yan estimou a dissolução de MgO na escória e descobriu que todos os dados eram controlados pela transmissão de qualidade.
A equipa Holappa estudou a atividade do agente de cobertura do tundish, que é crucial na absorção de inclusões. Observaram uma interação complexa entre a composição química, as condições termodinâmicas, a tensão superficial e a viscosidade da escória quando as inclusões sólidas não metálicas são dissolvidas. A equipa concluiu que é necessária mais investigação sistemática para obter uma compreensão mais profunda deste campo e para desenvolver métodos de otimização.
É bom que as inclusões não metálicas sejam adsorvidas na superfície refractária da panela, mas estas inclusões podem também tornar-se a fonte de inclusões no forno seguinte, dependendo da composição da escória da panela.
Se as inclusões forem adsorvidas no canal da tubagem de aço fundido, podem causar problemas significativos, tais como um longo tempo de tratamento e custos elevados devido ao entupimento do bocal no processo de fundição contínua. Este fenómeno de entupimento do bocal está bem descrito nas referências.
É de notar que o fluxo floculento no bocal é causado pela adesão e acumulação de inclusões de óxido de alumínio e FeO, que podem ser formadas na oxidação secundária. Este fenómeno está claramente descrito nas referências.
Existe uma vasta literatura sobre a absorção de inclusões primárias pelo pó do molde durante a fundição contínua e a fundição de lingotes. O consenso entre estas fontes é que este fenómeno é efetivamente possível.
O fluxo de molde utilizado na fundição contínua e na fundição em molde (que é semelhante ao agente de cobertura do tundish) deve ter múltiplas funções e possuir fluidez. No entanto, ele está sujeito a várias restrições dentro do molde, como evitar a inclusão de fluxo de molde na superfície da casca verde primária. Isto, até certo ponto, restringe o movimento das inclusões e mantém-nas dentro do fluxo do molde. Ao mesmo tempo, optimiza o fluxo do aço fundido no tundish e no molde, permitindo que o aço fundido atinja a interface da escória com as inclusões. No entanto, isto cria objectivos contraditórios com outros objectivos metalúrgicos relevantes.
A melhor forma de remover as inclusões causadas pela convecção é através da refinação em panela, sendo também crucial evitar que a oxidação secundária crie novas inclusões, o que é um aspeto crucial da produção de aço limpo.
Outra questão é o movimento das inclusões primárias na placa de vazamento contínuo. Tem sido amplamente reconhecido que as inclusões são distribuídas assimetricamente na secção transversal devido ao processo de fundição contínua em arco. Esta assimetria está frequentemente relacionada com o entupimento do fluxo de flocos no bocal.
Sichen demonstrou recentemente o impacto do modelo de refinação secundária, em particular o processo do forno de refinação. O modelo procura explicar a reação de interface da escória de aço, a abertura da camada de escória de agitação de transição, a geração, nucleação, crescimento, separação e remoção de inclusões por flutuação, utilizando a maioria das tecnologias disponíveis.
No entanto, Sichen salientou que as principais variáveis do processo de refinação em panela, como a eficiência da transferência de massa, a taxa de remoção da inclusão flutuante, a abertura da camada de escória sobre agitada e o caudal de árgon, são difíceis de simular devido às incertezas da produção industrial, como o bujão de ventilação da panela e as fugas nas condutas de gás.
É difícil controlar e detetar a velocidade do fluxo de árgon na refinação industrial em panelas. A tecnologia de câmaras e analisadores de imagem pode ser utilizada para monitorizar a abertura da camada de escória da panela, enquanto a medição da vibração pode ser utilizada para controlar o fluxo de árgon. Estas tecnologias já foram adoptadas por algumas siderurgias.
Durante a solidificação, a força motriz da precipitação de inclusões secundárias aumenta a segregação dos elementos solutos, e a solubilidade dos óxidos e sulfuretos no aço diminui à medida que a temperatura desce.
O fenómeno da precipitação de inclusões devido a alterações na solubilidade do aço tem sido um tema de discussão desde há algum tempo.
Desde os anos 60 que se estabeleceram os termos "inclusões primárias" e "secundárias" e se definiu a relação entre segregação e precipitação da inclusão.
Nessa altura, foi apresentado o primeiro modelo que explica este processo.
Turkdogan e Flemings deram um contributo significativo para a nossa compreensão do impacto global das alterações de solubilidade com a diminuição da temperatura na segregação de inclusões secundárias.
Durante as décadas de 1980 e 1990, a Nippon Steel e a IRSID desenvolveram modelos avançados, que foram posteriormente aplicados à precipitação de nitretos em aço microligado HSLA durante a solidificação.
Estes modelos abriram caminho para o estudo da engenharia da inclusão.
Atualmente, sabemos que, combinando uma base de dados termodinâmica e uma base de dados cinética, podemos simular a solidificação e calcular a formação de inclusões.
Estes cálculos começam com a composição química desejada do aço, prevêem a precipitação de inclusões e orientam a conceção da composição da escória de refinação durante a refinação em panela para produzir aço limpo.
A interação entre o aço líquido, as dendrites e as inclusões formadas na frente de solidificação é uma importante área de estudo.
As observações em linha indicam que as condições de solidificação desempenham um papel crucial na formação de inclusões que são empurradas para a fase líquida na interface e engolidas por inclusões.
Em teoria, estes resultados podem ser calculados e ajustados para ter em conta os efeitos da tensão superficial e da densidade.
A investigação teórica centra-se principalmente na composição do metal e os resultados relativos às inclusões não metálicas no aço estão também mais de acordo com as condições reais.
Os resultados indicam que a velocidade crítica de crescimento (V) pode ser representada como V = k/R, em que R é o raio de engolfamento e repulsão da interface de inclusão, e k depende do tipo de inclusão.
A estrutura das inclusões secundárias é significativamente afetada pelas reacções que ocorrem durante a precipitação, sendo a precipitação de carbonetos um dos melhores exemplos.
Desde que Sims observou pela primeira vez o impacto da re-oxidação na estrutura do sulfureto em 1930, propôs mais tarde três tipos distintos de sulfuretos, que foram descritos exaustivamente por vários autores.
Recentemente, a equipa de Ishida salientou que, para além do tipo de reação que acompanha a formação do sulfureto, a tensão superficial também desempenha um papel crucial na formação da estrutura do sulfureto.
A equipa Gaye apresentou a explicação mais completa e perspicaz da aplicação termodinâmica da engenharia de inclusão no aço.
A Figura 13 apresenta uma ilustração concisa de dois diagramas de fase ternários adiabáticos.
Uma vez identificadas as inclusões necessárias, é possível determinar a composição química do aço que produzirá essas inclusões.
A composição da escória de refinação utilizada para a refinação pode então ser calculada com base na composição química do aço através de um balanço de escória de aço.
O ditado "O aço só pode ser fabricado após a fundição de escórias" tem fundamento e tem sido aplicado com sucesso na produção de vários tipos de aço.
Na produção de aço, é importante evitar inclusões de compósitos de óxido de alumínio de fase dura (como o espinélio).
Por exemplo, na produção de aço para rolamentos, a inclusão actua como um núcleo de nucleação durante a transformação de fase que ocorre durante o arrefecimento.
O tratamento com cálcio transforma as inclusões em inclusões líquidas e, juntamente com o cálcio, modifica os sulfuretos para evitar o entupimento dos bicos.
Embora o processo de modificação da inclusão possa parecer simples, é também um tópico de discussão neste capítulo.
A Fig. 13 mostra o processo de transformação das inclusões. Do ponto de vista termodinâmico, o baixo ponto de fusão do Al2O3 espera-se que se obtenham inclusões no aço Si Mn morto.
As inclusões esperadas são mostradas no diagrama de fases simplificado de MnO-SiO2-Al2O3 sistema ternário.
O diagrama à esquerda mostra o sistema na isoterma de 1470 ℃. A região é indicada como fase líquida 100%, confinada dentro da linha fina, como representado na figura.
A isopleta sólida e espessa à temperatura especificada representa o teor de alumínio no aço fundido com inclusões líquidas em equilíbrio. A linha pontilhada, por outro lado, indica a composição química das inclusões no aço 0,35% Si, 1% Mn a uma determinada temperatura, variando com o teor de alumínio do tipo de aço.
De acordo com o diagrama, se se quiser ter inclusões líquidas, o teor de alumínio do aço não deve exceder o círculo cinzento (8ppm).
A figura da direita mostra a escória de refinação em panela simplificada de CaO-SiO2-Al2O3 sistema.
A isotérmica de 1520 ℃ representa as condições no forno de refinação em panela e mostra que a região de inclusão líquida do 100% está confinada à linha sólida fina.
À temperatura escolhida, a linha sólida grossa representa o teor de alumínio do aço em estado de equilíbrio no sistema de escória. A linha cinzenta mostra o teor de oxigénio correspondente no aço em análise.
Se forem desejadas inclusões líquidas (no lado esquerdo do diagrama), a composição da escória de refinação deve ser escolhida conforme indicado no diagrama para garantir que o teor de alumínio no aço seja inferior a 8ppm.
O fio de aço radial para pneus é fabricado em aço de alto carbono desoxidado com silício-manganês.
Métodos semelhantes são também utilizados no fabrico de muitos aços para molas de automóveis.
As inclusões não metálicas frágeis, normalmente inclusões de óxido de alumínio ou inclusões com elevado teor de óxido de alumínio, têm um impacto significativo no desempenho da trefilagem do fio de aço e na qualidade do aço para molas.
Para evitar a formação de inclusões de óxido de alumínio ou de inclusões ricas em óxido de alumínio, a composição do aço deve ser ajustada. Isto implica um controlo rigoroso do teor de óxido de alumínio na escória, a monitorização das matérias-primas e materiais auxiliares para evitar a entrada de alumínio no aço e a utilização de um sistema de escória binária de baixa alcalinidade.
Esta solução foi inicialmente contraditória com as operações de refinação prevalecentes na altura.
Existem numerosos e excelentes exemplos e artigos que abordam a termodinâmica de controlo do tratamento de inclusão do aço radial e de mola dos pneus.
O impacto de um único tipo de inclusão na vida à fadiga do aço para rolamentos continua a ser um tema de debate. No entanto, é amplamente aceite que o tamanho e a quantidade de inclusões no aço afectam significativamente a vida à fadiga do aço para rolamentos.
É sabido que as inclusões de aluminato de cálcio e de espinélio têm um impacto negativo no desempenho do aço para rolamentos.
Consequentemente, há quem considere que a produção de aço para rolamentos deve ter como objetivo um teor total de oxigénio muito baixo e um teor de enxofre e alumínio muito baixo, para manter as inclusões não metálicas a um nível mínimo.
Além disso, a introdução de magnésio a partir de escória pode levar à formação de inclusões de espinélio, o que deve ser evitado.
Para produzir aço para rolamentos de alta qualidade, várias fábricas de aço adoptam diferentes métodos de processamento com base nas suas condições específicas.
No entanto, o controlo da composição química das escórias de refinação é sempre um fator crítico no controlo das inclusões não metálicas no aço para rolamentos.
A Figura 14 demonstra a influência dos teores de Al, O e Ag no aço 100Cr6 (AISI52100) na composição das escórias. A comparação dos teores de alumínio e oxigénio calculados e medidos no aço também é apresentada.
Fig. 14
a. No estado de equilíbrio do aço para rolamentos, a escória de refinação% Al2O3=5%,% CaO=48% permanecem inalterados, e a influência do MgO no Al, O e Mg é calculada usando as bases de dados Thermo calc e SLAG2 a 1540 ℃.
b. Comparar o valor calculado e o valor medido do aço para rolamentos depois de terminada a refinação do forno 3, sendo utilizada para o cálculo a base de dados Thermo calc® e SLAG2.
O tratamento com cálcio é utilizado para eliminar as inclusões de sulfuretos e regular a anisotropia dos materiais laminados a quente ou das peças forjadas. Também ajuda a melhorar a trabalhabilidade das inclusões.
A prática de utilizar o tratamento com cálcio para transformar inclusões de óxido de alumínio em inclusões compostas líquidas para evitar o entupimento dos flocos do bocal ganhou uso generalizado nas últimas décadas, apesar de ser um método controverso.
O processo de tratamento de cálcio é complexo, exigindo a consideração de factores como a solubilidade do cálcio, o rendimento e a elevada pressão de vapor causada pela oxidação durante a adição de cálcio. Estes factores foram objeto de uma investigação aprofundada.
Também foram efectuados estudos sobre o mecanismo de desnaturação da inclusão e a quantidade ideal de cálcio necessária para alcançar o resultado desejado.
A formação de inclusões é um processo complexo. A camada exterior, frequentemente composta por óxidos, é coberta por um revestimento de compostos ricos em enxofre. Este fenómeno e a distribuição dos elementos individuais são ilustrados na Figura 15.
Fig. 15
O tratamento com cálcio é utilizado para melhorar a capacidade de fundição do aço. Dissolve as inclusões de partículas grandes compostas por aluminato de cálcio, sulfureto e AgO encontradas na placa durante a fundição contínua.
O magnésio é também reduzido da escória para o aço durante o processo de tratamento.
Como resultado do tratamento, uma parte significativa das inclusões torna-se numa fase líquida e não obstrui o bocal durante a fundição.
No entanto, se a temperatura do aço fundido for demasiado baixa, a fundição tornar-se-á difícil.
A reação das inclusões não metálicas formadas durante a solidificação é um processo complexo, como ilustrado na Figura 16.
Fig. 16
A amostra de laje contém grandes inclusões de aluminato de cálcio quebradas com fases complexas, e a concha de inclusão exibe uma estrutura de solidificação dendrítica.
A quantidade de cálcio necessária para modificar as inclusões de óxido de cálcio depende do teor total de oxigénio no aço.
Infelizmente, não existe um método atual para determinar com precisão o teor total de oxigénio no aço em tempo real, o que dificulta a determinação da quantidade adequada de cálcio a adicionar.
Isto representa um desafio significativo para a produção industrial.
Uma solução é usar a termodinâmica para entender o entupimento do fluxo de flocos no bocal e estabelecer a janela de fundíveis para o lingotamento contínuo.
O nível de oxigénio dissolvido pode ser medido, e estes dados podem também ser utilizados para monitorizar a eficiência do tratamento com cálcio, como demonstrado na Figura 17.
Fig. 17
A figura acima mostra a correlação entre o teor de cálcio e o oxigénio dissolvido calculado no aço com uma composição de 0,025% Al, 0,01% S, e teores de oxigénio total variáveis de 20, 25 e 30 ppm da esquerda para a direita, a uma temperatura de 1540 ℃.
A presença de fases não metálicas é indicada em cada intervalo de composição.
Os cálculos foram efectuados utilizando as bases de dados Thermo-Calc® e SLAG3.
Cada ponto representa a medição experimental do teor de oxigénio dissolvido no aço, que foi obtido sem qualquer bloqueio no bocal.
O processo final de fundição está a enfrentar um desafio que exige o controlo da microestrutura e não pode depender apenas da laminagem a quente.
A investigação demonstrou que a presença de ferrite no metal de soldadura tem um impacto positivo na formação de inclusões não metálicas.
A teoria da nucleação de inclusões sugere que a formação de inclusões esgota o Mn na matriz circundante, o que parece ser eficaz.
As inclusões de óxidos não metálicos servem de núcleos de nucleação para as inclusões de MnS e têm produzido resultados favoráveis em aplicações.
Além disso, a oxidação secundária de titânio no aço silício-manganês transforma as inclusões em óxido de titânio, enquanto o óxido e o nitreto têm uma elevada eficiência de nucleação na ferrite, como confirmado.
Koseki, Inoue, Suito e Park provaram que o nitreto de titânio pode atuar eficazmente como um agente nucleante, promovendo o aparecimento de grandes grãos equiaxiais em processos contínuos de fundição de aço inoxidável e processos de soldadura.
Park e Kang fizeram recentemente progressos neste domínio.
Os cálculos termodinâmicos e as simulações de modelos mostram que a conceção de ligas e a conceção de processos na metalurgia do óxido podem ser altamente benéficas.
Nas últimas décadas, a indústria do ferro e do aço tem-se deparado com o desafio de classificar e quantificar com precisão as inclusões não metálicas através de gráficos e imagens de comparação tradicionais. Para melhorar a análise quantitativa das inclusões, incluindo informações sobre o tamanho, a fração de volume e a composição, surgiram novos métodos.
Em muitos casos, devem ser utilizados simultaneamente vários métodos para obter uma compreensão abrangente da natureza e do processo das inclusões não metálicas. A investigação demonstrou que certas características dependem da distribuição das inclusões, enquanto outras dependem de outros factores. Por exemplo, o desempenho à fadiga do aço é influenciado pelo tamanho da maior inclusão.
O grau de limpeza dos produtos de aço varia muito, exceto no caso dos produtos de gama baixa. O teor total de oxigénio do aço de baixo carbono morto com alumínio (LCAK) é de aproximadamente 40 ppm, enquanto o aço típico para rolamentos tem um teor total de oxigénio de cerca de 5 ppm. A fração volumétrica de inclusões de óxido é significativamente diferente, mas a presença de inclusões de sulfureto não é mencionada.
A estatística de valores extremos e a sua aplicação desempenham um papel fundamental na análise da fadiga. Estes métodos não são amplamente abordados na literatura geral, mas são incluídos nesta revisão da literatura com referências fornecidas para leitura adicional. O método de grau de avaliação de inclusão utilizando estatísticas de valores extremos, proposto por Murakami no programa, tem sido amplamente utilizado no domínio da fadiga e tem produzido excelentes resultados.
É importante notar que este método não tem em conta o tamanho máximo da inclusão na análise de fadiga. De facto, a fração de volume das inclusões causadas por inclusões de partículas grandes pode aumentar. Este aspeto do método pode não estar alinhado com as expectativas dos fabricantes de aço, uma vez que não considera a inclusão da maior partícula.
O ditado bem estabelecido "Fazer boas escórias leva a fazer bom aço" está profundamente enraizado na indústria siderúrgica.
Nas últimas décadas, o reconhecimento do impacto das inclusões não metálicas nas propriedades do aço fez com que o processo de fabrico do aço deixasse de se limitar a evitar a contaminação por inclusões e passasse a otimizar a composição, quantidade e distribuição das inclusões no aço.
Esta transformação tem impacto em todos os aspectos do processo de produção de aço, desde a matéria-prima seleção de materiais (como evitar a contaminação por alumínio), a conceção da composição da escória, a otimização das condições de refinação secundária (como o tempo do processo de refinação e as condições hidrodinâmicas) e o controlo cuidadoso do funcionamento do molde e do tundish.
Tornou-se prática corrente na produção de vários tipos de aço controlar cuidadosamente a oxidação secundária em todos os processos.
A termodinâmica desempenha um papel fundamental na investigação da influência das inclusões no aço. A compreensão da termodinâmica, a composição química do aço e das escórias de refinação e as interacções entre as condições do processo de fabrico do aço são agora amplamente estudadas.
Também se verificou uma melhoria significativa nas ferramentas de modelização, permitindo uma abordagem mais científica ao controlo das inclusões no aço.
Estas tecnologias foram amplamente adoptadas e continuam a evoluir no domínio da modificação de inclusões não metálicas. No entanto, continua a ser necessário melhorar continuamente as escórias de refinação e compreender plenamente o papel das inclusões não metálicas no aço.
A modificação de inclusões e a engenharia metalúrgica de óxidos são atualmente amplamente utilizadas nas siderurgias, resultando em aço que é pelo menos uma ordem de grandeza mais limpo do que era há várias décadas. Este facto também apresentou novos desafios para a análise qualitativa e quantitativa de inclusões não metálicas.
A análise quantitativa de todas as inclusões e do seu impacto nas propriedades e no comportamento do aço é agora um requisito básico, e existe um amplo espaço para discussão e investigação futura.
Apesar dos avanços e dos conhecimentos resumidos nesta revisão, o desafio permanente nas próximas décadas será o de melhorar continuamente as várias tecnologias e a qualidade do aço.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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