DC (Direct Chill) Casting: Processo Essencial na Produção de Aço

Definição e Conceito Básico

A fundição de Resfriamento Direto (DC) é um processo contínuo de solidificação de metal primário utilizado predominantemente na produção de alumínio e outras ligas não ferrosas. Envolve o derramamento de metal fundido diretamente em um molde resfriado a água, onde se solidifica em forma de bilhete, laje ou lingote semi-acabado, que é então extraído para processamento adicional.

O objetivo fundamental da fundição DC é produzir produtos semi-acabados de alta qualidade, livres de defeitos e dimensionalmente precisos, com processamento secundário mínimo. Serve como um elo crítico entre a fusão e a fabricação a montante, como laminação, extrusão ou forjamento.

Dentro da cadeia de fabricação de aço ou alumínio, a fundição DC está posicionada após a fase de fusão ou refino e antes das operações de trabalho a quente ou a frio. Ela permite uma solidificação rápida e controlada, reduzindo o consumo de energia e melhorando a consistência do produto.

Design Técnico e Operação

Tecnologia Central

A fundição DC é baseada nos princípios de solidificação térmica controlada. O metal fundido é derramado em um molde resfriado a água, onde a extração de calor faz com que o metal se solidifique das paredes do molde para dentro. Este processo aproveita os mecanismos de transferência de calor—condução, convecção e radiação—para alcançar uma solidificação uniforme.

Os principais componentes tecnológicos incluem o tundish (reservatório de metal), o molde resfriado a água (também chamado de molde de fundição) e o sistema de retirada. O tundish garante um fluxo constante de metal fundido, enquanto o sistema de resfriamento do molde mantém um controle de temperatura preciso. O mecanismo de retirada, muitas vezes um sistema hidráulico ou mecânico, extrai o semi-produto solidificado a uma taxa controlada.

Os principais mecanismos operacionais envolvem manter um fluxo estável de metal fundido, controlar a intensidade de resfriamento do molde e regular a velocidade de retirada. O material flui do tundish para o molde, onde ocorre a solidificação inicial, e então o produto semi-acabado é continuamente puxado para resfriamento e processamento subsequentes.

Parâmetros do Processo

As variáveis críticas do processo incluem:

• Velocidade de fundição: Geralmente varia de 0,2 a 1,0 metros por minuto, dependendo da liga e do tamanho do produto.
• Temperatura do molde: Normalmente mantida entre 650°C e 750°C para ligas de alumínio.
• Taxa de fluxo de água de resfriamento: Ajustada para otimizar a extração de calor, frequentemente entre 50 a 150 litros por minuto por metro de comprimento do molde.
• Superaquecimento do metal fundido: Geralmente mantido entre 10-30°C acima da temperatura líquida da liga para garantir um derramamento e solidificação suaves.
• Força e velocidade de retirada: Precisamente controladas para evitar defeitos como rachaduras ou rugosidade na superfície.

Esses parâmetros estão interconectados; por exemplo, aumentar a velocidade de fundição pode exigir taxas de resfriamento mais altas para evitar superaquecimento ou defeitos na superfície. Sistemas de controle avançados utilizam sensores e laços de feedback para monitorar temperatura, fluxo e forças de retirada, garantindo qualidade consistente do produto.

Configuração do Equipamento

Instalações típicas de fundição DC consistem em um tundish, um molde resfriado a água e um sistema de retirada montado em uma estrutura rígida. O comprimento do molde varia de 1 a 4 metros, com larguras variando de 200 mm a mais de 2000 mm, dependendo das especificações do produto.

Equipamentos modernos de fundição DC evoluíram de moldes verticais simples para moldes sofisticados de múltiplas cordas ou moldes curvados, permitindo maior produtividade e melhor controle sobre as dimensões do produto. Algumas instalações incorporam agitação eletromagnética ou freios eletromagnéticos para influenciar a solidificação e a microestrutura.

Sistemas auxiliares incluem unidades de filtração para remover inclusões, equipamentos de desgasificação para reduzir a porosidade e sistemas de tratamento de água de resfriamento para prevenir contaminação e corrosão. A automação e o monitoramento remoto estão cada vez mais integrados para melhorar a estabilidade do processo.

Química e Metalurgia do Processo

Reações Químicas

Durante a fundição DC, as reações químicas primárias são mínimas, uma vez que o processo envolve principalmente mudanças de fase físicas. No entanto, reações de oxidação podem ocorrer na superfície do metal fundido quando exposta ao oxigênio atmosférico, levando à formação de filmes de óxido.

Termodinamicamente, a estabilidade das camadas de óxido depende da composição da liga e da temperatura. A cinética da oxidação é influenciada pela área de superfície, pressão parcial de oxigênio e pela presença de fluxos ou atmosferas protetoras.

Os produtos de reação significativos incluem óxido de alumínio (Al₂O₃), que pode ser incorporado como inclusões se não for controlado adequadamente. Essas inclusões podem afetar a qualidade da superfície e as propriedades mecânicas.

Transformações Metalúrgicas

As principais mudanças metalúrgicas envolvem a transição da microestrutura líquida para sólida. Durante a solidificação, cristais primários de alumínio nucleiam e crescem, formando estruturas dendríticas que influenciam a microestrutura final.

O desenvolvimento microestrutural é afetado pelas taxas de resfriamento; resfriamento mais rápido resulta em grãos mais finos, que aumentam a resistência e a ductilidade. Transformações de fase, como a formação de compostos intermetálicos ou segregação de elementos de liga, ocorrem durante a solidificação e tratamentos térmicos subsequentes.

Essas transformações impactam diretamente as propriedades mecânicas, resistência à corrosão e acabamento superficial. O controle adequado dos parâmetros de solidificação garante microestruturas uniformes e minimiza defeitos como porosidade ou segregação.

Interações de Materiais

Interações entre metal fundido, escória, refratários e atmosfera são críticas para a estabilidade do processo. O alumínio fundido pode reagir com materiais refratários, levando à contaminação ou degradação refratária.

A formação de escória resulta de inclusões de óxido e pode influenciar a transferência de calor e a qualidade da superfície. Materiais refratários são selecionados por sua resistência à corrosão e estabilidade térmica, tipicamente tijolos à base de alumina ou sílica.

Gases atmosféricos, especialmente oxigênio e nitrogênio, podem se dissolver no metal fundido, causando porosidade ou fragilização. Para controlar essas interações, fluxos protetores, atmosferas inertes ou condições de vácuo são às vezes empregados.

Métodos como remoção de escória, manutenção de revestimentos refratários e controle de atmosfera são utilizados para minimizar interações indesejadas e manter a qualidade do produto.

Fluxo e Integração do Processo

Materiais de Entrada

A entrada primária é metal fundido de alta pureza, tipicamente liga de alumínio, fornecida por operações de fusão ou refino a montante. A composição da liga deve atender a especificações rigorosas em relação à pureza, níveis de impurezas e composição química.

A preparação envolve garantir que o metal fundido esteja livre de inclusões, gases e inconsistências de temperatura. O manuseio requer panelas, tundishes e sistemas de transferência projetados para evitar contaminação e perda de temperatura.

A qualidade da entrada influencia diretamente a estabilidade da fundição, a qualidade da superfície e a microestrutura. Variações na composição da liga ou níveis de impurezas podem levar a defeitos ou propriedades mecânicas inconsistentes.

Sequência do Processo

A sequência operacional começa com a fusão e refino de matérias-primas, seguida pela transferência para o tundish. O metal fundido é então derramado no molde resfriado a água, iniciando a solidificação.

Durante a fundição, a retirada contínua do semi-produto ocorre, sincronizada com a taxa de derramamento. O semi-produto sai do molde, passa por resfriamento secundário e é cortado ou processado adicionalmente.

Os tempos de ciclo dependem do tamanho do produto; por exemplo, um bilhete típico pode levar de 10 a 15 minutos desde o derramamento até a remoção. As