Fusão Contínua de Fitas Finas: Processo Chave na Produção Moderna de Aço

Definição e Conceito Básico

A fundição contínua de tiras finas é um processo avançado de fabricação de aço que envolve a solidificação rápida do aço fundido em tiras finas e planas diretamente do estado líquido. Este processo é projetado para produzir tiras de aço de alta qualidade e uniformes, com dimensões e qualidades de superfície precisas, adequadas para operações subsequentes de laminação ou acabamento.

Fundamentalmente, o objetivo da fundição contínua de tiras finas é simplificar a cadeia de produção, reduzindo o número de etapas necessárias para converter o aço fundido em produtos acabados ou semi-acabados. Ele substitui métodos de fundição tradicionais, como a fundição de lingotes ou de placas, por um processo mais eficiente e de alta velocidade que produz produtos mais finos e uniformes.

Dentro do fluxo geral do processo de fabricação de aço, a fundição contínua de tiras finas está posicionada após as etapas de fusão e refino do aço, como os processos de forno a arco elétrico (EAF) ou conversores, e antes da laminação a quente ou a frio. Ele serve como um elo crítico que transforma o aço líquido em tiras finas semi-acabadas, permitindo um maior rendimento, melhor qualidade do produto e redução do consumo de energia.

Projeto Técnico e Operação

Tecnologia Central

A tecnologia central da fundição contínua de tiras finas depende da extração rápida de calor do aço fundido para produzir uma tira solidificada com espessura e largura controladas. Este processo utiliza um molde resfriado a água, geralmente feito de cobre ou ligas de cobre, que molda o aço à medida que sai do tundish ou da panela.

Os componentes principais incluem o molde, sistema de resfriamento secundário, unidades de retirada e endireitamento, e controles de automação. O molde proporciona a solidificação inicial, enquanto o sistema de resfriamento secundário, que geralmente consiste em sprays de água ou névoa de ar, resfria e solidifica ainda mais a tira. O sistema de retirada puxa continuamente a tira solidificada do molde, mantendo uma velocidade de fundição estável.

Os fluxos de material envolvem o aço fundido sendo despejado no molde, onde começa a solidificar ao entrar em contato. A tira semi-sólida é então continuamente puxada para fora, resfriada e guiada através de vários rolos e dispositivos de endireitamento para garantir planicidade e precisão dimensional. Toda a operação é sincronizada para manter uma taxa de fundição constante e prevenir defeitos.

Parâmetros do Processo

As variáveis críticas do processo incluem velocidade de fundição, temperatura do molde, taxa de resfriamento, espessura e largura da tira. As velocidades de fundição típicas variam de 2 a 8 metros por minuto, dependendo da liga e da qualidade do produto desejada.

A temperatura do molde é mantida entre 1.350°C e 1.550°C para garantir a fluidez e solidificação adequadas. As taxas de resfriamento são cuidadosamente controladas para otimizar o desenvolvimento da microestrutura, geralmente entre 10°C/seg a 50°C/seg.

A espessura da tira é geralmente entre 0,5 mm e 3 mm, com larguras de 600 mm a 2000 mm. Esses parâmetros estão interconectados; por exemplo, aumentar a velocidade de fundição pode exigir ajustes na intensidade de resfriamento para evitar defeitos na superfície.

Os sistemas de controle utilizam sensores em tempo real, como termômetros infravermelhos, medidores a laser e detectores de corrente de Foucault, para monitorar temperatura, espessura e qualidade da superfície. A automação avançada garante ajustes precisos nas variáveis do processo, mantendo a consistência do produto.

Configuração do Equipamento

As instalações típicas de fundição contínua de tiras finas compreendem um molde de cobre resfriado a água, sprays de resfriamento secundário, um conjunto de retirada e endireitamento, e um sistema de recoiler ou transportador. O comprimento do molde varia de 1 a 2 metros, com todo o comprimento de fundição otimizado para estabilidade térmica e mecânica.

As variações de design incluem orientações de molde verticais, horizontais ou inclinadas, dependendo do layout da planta e das especificações do produto. Inovações ao longo do tempo levaram a máquinas de fundição de múltiplas correntes, permitindo a produção simultânea de várias tiras, aumentando o rendimento.

Sistemas auxiliares incluem unidades de remoção de escória, sistemas de controle de temperatura e estações de inspeção de superfície. Plantas modernas incorporam automação e monitoramento remoto para aumentar a eficiência operacional e a segurança.

Química e Metalurgia do Processo

Reações Químicas

Durante a fundição contínua, as reações químicas primárias são limitadas, uma vez que o processo ocorre em altas temperaturas onde o aço permanece em estado líquido ou semi-sólido. No entanto, reações de oxidação podem ocorrer na superfície do aço quando exposta ao oxigênio atmosférico, especialmente se a atmosfera protetora estiver comprometida.

Termodinamicamente, a oxidação de elementos como silício, manganês e alumínio pode produzir óxidos que podem aderir à superfície, afetando a qualidade. A cinética da oxidação depende da temperatura, tempo de exposição e composição atmosférica.

Para minimizar reações indesejáveis, a fundição é frequentemente realizada sob atmosferas controladas ou com camadas de escória protetora. A formação de inclusões de óxido é uma consideração crítica, pois pode prejudicar as propriedades mecânicas.

Transformações Metalúrgicas

As principais mudanças metalúrgicas envolvem o desenvolvimento da microestrutura durante a solidificação. O resfriamento rápido promove microestruturas de grão fino, como ferrita acicular ou bainita, dependendo da composição da liga e das taxas de resfriamento.

As transformações de fase incluem a transição de uma microestrutura líquida para uma sólida com ferrita ou austenita primária, seguida por possíveis transformações secundárias durante os tratamentos térmicos subsequentes. Essas transformações influenciam a dureza, ductilidade e tenacidade.

O processo também afeta fenômenos de segregação, onde elementos de liga se concentram em certas regiões, potencialmente levando a inhomogeneidades. O controle adequado das taxas de resfriamento e da química da liga minimiza a segregação e garante uma microestrutura uniforme.

Interações de Materiais

Interações entre aço fundido, escória, refratários e atmosfera são críticas para a estabilidade do processo. Camadas de escória servem como barreiras protetoras, prevenindo a oxidação e controlando a transferência de calor.

Materiais refratários que revestem o molde e zonas de resfriamento secundário devem suportar altas temperaturas e ciclos térmicos. O desgaste refratário pode levar à contaminação ou interrupções no processo.

Mecanismos de transferência de material incluem reações escória-metal, que podem introduzir inclusões ou alterar a composição. Controlar a química da escória e manter condições refratárias adequadas mitigam interações indesejadas.

Métodos como atmosferas inertes, otimização da química da escória e seleção de refratários são empregados para controlar essas interações e garantir a qualidade do produto.

Fluxo e Integração do Processo

Materiais de Entrada

O principal insumo é o aço fundido de alta qualidade, tipicamente produzido por meio de forno a arco elétrico ou processos de conversores. O aço deve atender a composições químicas específicas, padrões de limpeza e faixas de temperatura.

A preparação envolve ligações, desoxidação e ajuste de temperatura para garantir consistência. O aço fundido é transferido por meio de panelas ou tundishes, com dispositivos de controle de fluxo para prevenir turbulências e contaminação.

A qualidade da entrada impacta diretamente a estabilidade da fundição, a qualidade da superfície e a microestrutura. Impurezas ou inclusões no aço de entrada podem levar a defeitos na superfície ou falhas internas na tira final.

Sequência do Processo

A sequência operacional começa com o aço fundido sendo despejado no tundish ou diretamente no molde. O aço começa a solidificar ao entrar em contato com o molde, formando uma tira fina.

A tira é continuamente retirada a uma velocidade controlada, passando por zonas de resfriamento secundário onde sprays de água ou névoa de ar resfriam rapidamente a superfície. Inspeção de superfície e detecção de defeitos são realizadas em linha.

A tira resfriada é guiada através de rolos de endireitamento para alcançar a planicidade, sendo então recoiler ou transferida para processamento a montante, como laminação a