Billet: Intermediário Chave na Produção e Processos de Fabricação de Aço

Definição e Conceito Básico

Um bilhete é um produto de aço semi-acabado, tipicamente em seção transversal retangular ou quadrada, que serve como um insumo primário para processos subsequentes de laminação ou forjamento para produzir produtos de aço acabados, como barras, varas ou seções estruturais. É produzido diretamente a partir de aço fundido através de métodos de fundição contínua ou fundição de lingotes e atua como um intermediário na cadeia de fabricação de aço.

No processo geral de fabricação de aço, os bilhetes ocupam uma posição crucial como a forma fundamental a partir da qual vários produtos longos são fabricados. Eles são produzidos após as etapas de refino e fundição do aço e são posteriormente reaquecidos e processados em laminadores ou prensas de forjamento. O papel do bilhete é fornecer uma forma uniforme e manejável que facilite a deformação e moldagem adicionais em produtos finais com propriedades mecânicas e dimensões desejadas.

Design Técnico e Operação

Tecnologia Central

A tecnologia central por trás da produção de bilhetes envolve principalmente a fundição contínua ou, historicamente, a fundição de lingotes. A fundição contínua envolve o derramamento de aço fundido em moldes resfriados a água, onde se solidifica em uma forma semi-acabada. Este processo permite alta produtividade, qualidade aprimorada e redução do consumo de energia em comparação com a fundição de lingotes.

Os principais componentes tecnológicos incluem o tundish, molde, sistema de guia de fio e zonas de resfriamento secundário. O tundish atua como um reservatório, distribuindo o aço fundido uniformemente no molde. O molde, tipicamente de cobre ou grafite resfriado a água, molda o aço na seção transversal desejada. O fio é guiado através de rolos e zonas de resfriamento secundário, onde o resfriamento controlado solidifica o bilhete uniformemente.

Os principais mecanismos operacionais envolvem controle preciso de temperatura, derramamento contínuo e monitoramento da solidificação. O material flui do tundish para o molde, onde o aço começa a solidificar. O fio então passa por zonas de resfriamento, com parâmetros ajustados para otimizar a microestrutura e prevenir defeitos.

Parâmetros do Processo

As variáveis críticas do processo incluem temperatura de derramamento, velocidade de fundição, taxa de resfriamento do molde e intensidade de resfriamento secundário. As temperaturas de derramamento típicas variam de 1.450°C a 1.550°C, dependendo do grau do aço. As velocidades de fundição variam de 0,5 a 2 metros por minuto, equilibrando produtividade e qualidade.

A taxa de resfriamento influencia a microestrutura, propriedades mecânicas e qualidade da superfície do bilhete. O resfriamento excessivo pode induzir tensões internas ou rachaduras na superfície, enquanto o resfriamento insuficiente pode causar segregação ou porosidade. Manter um perfil de temperatura estável e resfriamento uniforme é essencial.

Sistemas de controle empregam sensores em tempo real e automação para monitorar temperatura, fluxo de água de resfriamento e posição do fio. Algoritmos avançados de controle de processo otimizam parâmetros de fundição dinamicamente, garantindo qualidade consistente do bilhete.

Configuração do Equipamento

As instalações típicas de fundição de bilhetes apresentam um fundidor contínuo com um comprimento de molde de 4 a 8 metros, dependendo da capacidade. A largura do fundidor acomoda seções transversais de 100 mm x 100 mm até 200 mm x 200 mm ou maiores, com inserções de molde ajustáveis para diferentes tamanhos.

Os fundidores modernos são equipados com configurações de molde curvas ou retas, com moldes de cobre resfriados a água proporcionando rápida extração de calor. O sistema de resfriamento secundário inclui cabeçotes de pulverização, jatos de água e leitos ou transportadores de resfriamento para manuseio do fio.

Evoluções de design têm se concentrado em aumentar as velocidades de fundição, melhorar a qualidade do fio e reduzir o consumo de energia. Inovações incluem agitação eletromagnética para refinar a microestrutura e otimização de fluxo de molde para minimizar defeitos de superfície.

Sistemas auxiliares incluem aquecimento de panela, mecanismos de oscilação do molde e automação para transferência e corte do fio. Leitos de resfriamento pós-fundição ou estações de corte em linha preparam os bilhetes para processamento adicional.

Química e Metalurgia do Processo

Reações Químicas

Durante a fundição, as principais reações químicas envolvem a solidificação do aço a partir da fase líquida, com reações químicas mínimas ocorrendo na zona de solidificação. No entanto, reações de oxidação na superfície do aço podem ocorrer se a atmosfera não for controlada adequadamente, levando à descarbonização da superfície ou formação de inclusões.

Termodinamicamente, a composição do aço permanece estável durante a fundição, mas fatores cinéticos, como a taxa de resfriamento, influenciam as transformações de fase e o comportamento das inclusões. A adição de elementos de liga como carbono, manganês ou silício afeta o comportamento de solidificação e o desenvolvimento da microestrutura.

Os produtos de reação significativos incluem inclusões de óxido, que podem originar-se da oxidação ou da inclusão de escória, e compostos intermetálicos formados durante a solidificação. O controle adequado da atmosfera minimiza reações indesejadas e formação de inclusões.

Transformações Metalúrgicas

As principais mudanças metalúrgicas durante a fundição de bilhetes envolvem a transformação do aço líquido em uma microestrutura sólida. O resfriamento rápido promove a formação de ferrita ou perlita de grão fino, enquanto o resfriamento mais lento pode levar a microestruturas mais grossas.

O desenvolvimento da microestrutura é influenciado pela taxa de resfriamento, conteúdo de liga e design do molde. A frente de solidificação inicial progride da parede do molde para o interior, com estruturas dendríticas se formando na interface. A homogeneização dos elementos de liga ocorre durante o resfriamento secundário e o subsequente reaquecimento.

As transformações de fase incluem a formação de ferrita, perlita, bainita ou martensita, dependendo das condições de resfriamento e da liga. Essas transformações impactam diretamente as propriedades mecânicas, como resistência, ductilidade e tenacidade.

As transformações metalúrgicas também envolvem a redução de tensões residuais e o refinamento do tamanho dos grãos através de resfriamento controlado e tratamentos térmicos secundários.

Interações de Materiais

Interações entre o aço fundido, escória, refratários e atmosfera são críticas para a qualidade do bilhete. A escória interage com a superfície do aço, influenciando o conteúdo de inclusões e a qualidade da superfície. A composição e gestão adequadas da escória previnem contaminação e oxidação.

Os refratários que revestem o tundish e o molde estão sujeitos a altas temperaturas e ataque químico. O desgaste refratário pode introduzir impurezas ou causar falha do molde, necessitando de inspeção e substituição regulares.

O controle atmosférico é vital para prevenir oxidação e descarbonização. Gases protetores como argônio ou nitrogênio são frequentemente usados nas atmosferas do tundish e do molde para minimizar defeitos de superfície e formação de inclusões.

Mecanismos de transferência de material incluem reações escória-metal, aprisionamento de inclusões e processos de difusão. Controlar essas interações envolve otimizar a química da escória, temperatura e condições de fluxo.

Fluxo e Integração do Processo

Materiais de Entrada

O principal material de entrada é aço fundido de alta qualidade, produzido por meio de métodos de forno de oxigênio básico (BOF) ou forno de arco elétrico (EAF). Os graus de aço variam de aços estruturais de baixo carbono a aços para ferramentas de alta liga.

O aço de entrada deve atender a rigorosas especificações de composição química e temperatura. Antes da fundição, o aço fundido é refinado para remover impurezas e ajustar o conteúdo de liga.

O manuseio envolve transporte de panela, ajuste de temperatura por meio de fornos de pré-aquecimento ou reaquecimento, e metalurgia de panela para garantir composição uniforme. A qualidade do aço de entrada influencia diretamente a microestrutura do bilhete, propriedades mecânicas e taxas de defeitos.

Sequência do Processo

O processo começa com o refino do aço no forno, seguido pelo tratamento da panela para ajustar a composição e a temperatura. O