Steckel Mill: Equipamento Chave na Produção de Aço e Processos de Laminação

Definição e Conceito Básico

Um Steckel Mill é um tipo de laminador usado principalmente para a laminação a quente de placas, lingotes ou tarugos de aço em produtos mais finos e refinados, como chapas, folhas ou tiras. É caracterizado por um processo de laminação reversível, contínuo ou semi-contínuo que combina as características de um laminador de tiras a quente tradicional com uma configuração vertical compacta.

Fundamentalmente, o Steckel Mill serve como um laminador de acabamento versátil que permite o controle preciso da temperatura, espessura e qualidade da superfície do aço. É frequentemente empregado em usinas de aço onde restrições de espaço ou requisitos específicos de produtos exigem uma solução de laminação compacta e eficiente.

Dentro do fluxo geral do processo de fabricação de aço, o Steckel Mill está posicionado a jusante da fundição contínua ou da fundição de lingotes, após as etapas iniciais de aquecimento e desescamação. Ele atua como uma etapa de acabamento, transformando placas ou tarugos semi-acabados em chapas ou tiras de alta qualidade adequadas para processamento adicional ou venda direta no mercado.

Projeto Técnico e Operação

Tecnologia Central

O princípio de engenharia central do Steckel Mill é baseado na laminação a quente reversível, onde a tira ou placa de aço é passada para frente e para trás através dos suportes de laminação várias vezes. Esse processo permite o controle preciso da temperatura e a redução incremental da espessura.

Os principais componentes tecnológicos incluem:

• Suportes de Laminação Reversíveis: Estes são laminadores robustos com grandes rolos capazes de aplicar altas forças de laminação. Eles estão montados em uma estrutura móvel que pode inverter a direção, permitindo múltiplas passagens sobre o mesmo conjunto de rolos.

• Forno de Reaquecimento: Localizado no lado de entrada, este forno aquece o aço à temperatura de laminação necessária, tipicamente entre 1150°C e 1250°C, garantindo ductilidade e trabalhabilidade ideais.

• Passarelas e Instalações de Looping: Para acomodar o processo reversível, o laminador inclui fossas de looping ou bobinadeiras que gerenciam o caminho do aço, permitindo operação contínua e controle de tensão.

• Sistemas de Resfriamento: Leitos de resfriamento pós-laminação ou sistemas de resfriamento por spray são usados para controlar a taxa de resfriamento, influenciando a microestrutura e a qualidade da superfície.

• Sistemas de Automação e Controle: Sensores avançados, PLCs e DCS (Sistemas de Controle Distribuído) monitoram parâmetros como temperatura, tensão e força do rolo, garantindo estabilidade do processo e consistência do produto.

O mecanismo de operação principal envolve alimentar a placa aquecida no laminador, aplicando forças de laminação para reduzir a espessura, em seguida, inverter a direção para processar o material novamente, com reaquecimento intermediário ou ajustes de temperatura conforme necessário.

Parâmetros do Processo

As variáveis críticas do processo incluem:

• Velocidade de Laminação: Geralmente varia de 0,2 a 2 metros por segundo, dependendo das especificações do produto e da espessura do material.

• Frequência de Reversão: O número de passagens varia de 2 a 8, influenciando a espessura final e a qualidade da superfície.

• Faixa de Temperatura: O forno de reaquecimento mantém o aço entre 1150°C e 1250°C; durante a laminação, as quedas de temperatura são cuidadosamente monitoradas para evitar tensões térmicas.

• Força do Rolo: Geralmente entre 200 a 600 MPa, dependendo da espessura do material e da redução desejada.

• Redução por Passagem: Geralmente de 10-20%, equilibrando deformação e controle microestrutural.

Os sistemas de controle utilizam feedback em tempo real de sensores de temperatura, medidores de deformação e medidores de tensão para ajustar dinamicamente os parâmetros de laminação, mantendo a qualidade do produto e a eficiência do processo.

Configuração do Equipamento

Instalações típicas de Steckel Mill apresentam um layout compacto com um suporte de laminação reversível, um forno de reaquecimento, instalações de looping e sistemas de resfriamento dispostos em uma configuração linear ou ligeiramente curva.

As dimensões do suporte de laminação dependem da largura e espessura máxima da tira; os diâmetros dos rolos comuns variam de 1,2 a 2,5 metros. O comprimento do laminador pode variar de 50 a 150 metros, com toda a configuração projetada para uma área mínima.

Evoluções de design ao longo do tempo incluíram a integração de controle hidráulico de folga do rolo, automação avançada e sistemas de acionamento energeticamente eficientes. Sistemas auxiliares, como unidades de desescamação, dispositivos de controle de tensão e equipamentos de manuseio de sucata, são essenciais para uma operação suave.

Química do Processo e Metalurgia

Reações Químicas

Durante a laminação a quente em um Steckel Mill, as principais reações químicas envolvem oxidação e descarbonização em altas temperaturas. A superfície do aço reage com o oxigênio, formando óxidos que podem influenciar a qualidade da superfície.

Termodinamicamente, a oxidação do ferro e dos elementos de liga depende da temperatura, pressão parcial de oxigênio e da presença de atmosferas protetoras. Por exemplo:

• Oxidação do Ferro: Fe + ½ O₂ → FeO (wüstite), que pode oxidar ainda mais para Fe₃O₄ (magnetita) ou Fe₂O₃ (hematita) dependendo das condições.

• Descarbonização: Em temperaturas elevadas, o carbono difunde-se para fora do aço, reduzindo o teor de carbono e afetando as propriedades mecânicas.

Subprodutos de reação, como escória e escala, são gerados, os quais requerem remoção ou controle para garantir a qualidade da superfície.

Transformações Metalúrgicas

As principais mudanças metalúrgicas durante o processamento no Steckel Mill incluem:

• Desenvolvimento Microestrutural: A deformação em alta temperatura refina o tamanho dos grãos e influencia a distribuição de fases, principalmente formações de ferrita, perlita e bainita.

• Transformações de Fase: O resfriamento rápido após a laminação pode induzir transformações de fase, afetando dureza e ductilidade.

• Alívio de Tensões Residual: A reversão e o resfriamento controlado ajudam a reduzir tensões internas, melhorando a estabilidade dimensional.

Essas transformações impactam diretamente as propriedades mecânicas finais, o acabamento da superfície e a conformabilidade do aço.

Interações de Materiais

Interações entre o aço, escória, revestimentos refratários e atmosfera são críticas:

• Formação de Escória: A oxidação e a descarbonização produzem escória que pode aderir à superfície, exigindo desescamação.

• Desgaste Refratário: O revestimento refratário no forno e nos suportes de laminação está sujeito a altas tensões térmicas e mecânicas, levando ao desgaste e potencial contaminação.

• Controle Atmosférico: Para minimizar a oxidação e a formação de escala, atmosferas inertes ou redutoras podem ser empregadas, especialmente em laminadores Steckel avançados.

Controlar essas interações envolve otimizar atmosferas de forno, materiais refratários e parâmetros de processo para minimizar defeitos e manter a integridade do equipamento.

Fluxo do Processo e Integração

Materiais de Entrada

O principal insumo são placas ou tarugos de aço laminados a quente, tipicamente com 150-300 mm de esp