Efeito dos Parâmetros de Resfriamento Acelerado na Microestrutura e nas Propriedades Mecânicas em Aços para Tubos de Grande Diâmetro

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1 Título do Projeto: Efeito dos Parâmetros de Resfriamento Acelerado na Microestrutura e nas Propriedades Mecânicas em Aços para Tubos de Grande Diâmetro Linha de Pesquisa: Processamento Termomecânico e Químico de Metais Justificativa/motivação para realização do projeto: Realizar análises exploratórias para auxiliar no desenvolvimento de aços para tubos de grande diâmetro. Objetivos: Determinar os parâmetros de Resfriamento Acelerado e consequentemente a microestrutura final do aço, mais adequados para a produção de aços para tubos de grande diâmetro. Avaliar a previsão de um modelo matemático para simular as transformações de fases durante o processo de resfriamento acelerado. Estratégia experimental planejada para se alcançar os objetivos: Produzir as placas na aciaria, realizar laminação controlada seguida por resfriamento acelerado, sob diferentes condições, em seguida realizar ensaios mecânicos e micrográficos. Adicionalmente realizar análises através de ensaios de torção a quente, baseados em simulações de transformações de fases. Principais referências consultadas: ISASTI, N., GARCÍA-RIESCO, P.M., JORGE-BADIOLA, D., TAHERI, M., LÓPEZ, B., URANGA, P. Modeling of CCT Diagrams and Ferrite Grain Size Prediction in Low Carbon Nb Mo Microalloyed Steels, ISIJ International, v. 55, n. 9, p may PEREDA, B., IBABE, J.M.R., LÓPEZ, B. Improved Model of Kinetics of Strain Induced Precipitation and Microstructure Evolution of Nb Microalloyed Steels During Multipass Rolling, ISIJ International, v. 48, n. 10, p jul

2 1. Introdução Amplos esforços vêm sendo realizados em todo o mundo para garantir o fornecimento de diferentes fontes de energia para diversos segmentos, por isto novas fontes de exploração estão em continuo desenvolvimento. Neste contexto, devido à enorme dependência por fontes de petróleo, sua extração tem sido realizada em ambientes severos, muitas vezes por meio de plataformas marítimas, em profundidades cada vez maiores, em regiões com baixas temperaturas e em ambientes corrosivos. Para tal, a siderurgia tem um papel fundamental no fornecimento dos aços planos que irão compor as tubulações, embarcações e plataformas responsáveis por esta extração (1). Para garantir uma aplicação final segura e eficiente, estes aços devem ter excelentes propriedades mecânicas. Para que isto seja possível, é necessário que o aço tenha um controle rigoroso de composição química e segregação nas placas resultantes. Desta forma, estudos vem sendo conduzidos para se reduzir as concentrações de carbono, manganês, enxofre, fósforo, nitrogênio, hidrogênio no aço e para se controlar a forma das inclusões, através do tratamento com cálcio (2). Além do rigor para se obter as placas na aciaria, é necessário que estas sejam laminadas utilizando-se a técnica da laminação controlada seguida de resfriamento acelerado, conhecida como TMCP (thermo-mechanical controlled process). Alinhada a esta necessidade, as Laminações de Chapas Grossas ao redor do mundo têm adquirido modernos equipamentos de resfriamento acelerado (ACC) de chapas grossas. O processo ACC é conduzido através da aplicação de uma taxa moderada de resfriamento com água sobre as chapas, ao longo das faixas de temperaturas de transformação, imediatamente após o término da laminação a quente (1). As principais variáveis do processo são as temperaturas de início e de final de resfriamento (TIR e TFR, respectivamente) e a taxa de resfriamento (CR). A título de exemplo, os valores normalmente empregados de TIR variam na faixa de 700 C a 900 C, os de TFR na faixa de 450 C a 650 C e os de CR na faixa de 5 a 60 C/s, de acordo com as propriedades mecânicas desejadas e com a espessura da chapa. Observa-se que o resfriamento acelerado é conduzido somente ao longo de uma determinada faixa de temperatura. Ao se atingir o valor de TFR desejado, o resfriamento é interrompido e a chapa é resfriada ao ar até a temperatura ambiente. Um entendimento profundo das transformações de fases durante o resfriamento é crucial para se controlar a microestrutura e as propriedades finais do produto. Normalmente o comportamento das transformações são analisadas utilizando-se diagramas de transformação contínua durante o resfriamento (diagrama CCT). Nestes diagramas, as transformações de fases são representadas sob diversas taxas de resfriamento para uma dada composição química e condições iniciais dos grãos austeníticos, demonstrando as temperaturas iniciais e finais de transformação, regiões de estabilidade de fases e valores de dureza. Os diagramas CCT são determinados por dilatometria, caracterização microestrutural e teste de dureza. No entanto a determinação destes diagramas é extremamente trabalhosa e consomem muito tempo, por isso demandas para aprofundar o conhecimento em transformação de fases, tem levado ao desenvolvimento de modelos capazes de prever as características da microestrutura resultante, após determinado processo termomecânico, reproduzindo os diagramas CCT, incorporando os efeitos da composição química, tamanho de grão austeníticos (D γ ), deformação acumulada (ε acc )e taxa de resfriamento (CR) (3,4). Para tais modelos, equações foram propostas, através de técnicas de regressão linear múltipla, utilizando-se resultados de ensaios dilatométricos anteriores e suas formas gerais estão abaixo demonstradas: 2

3 Equação 1 - Temperaturas de transformação: T αi = T αf = T bi = T bf = a 1 + a 2 (%C) + a 3 (%Mn) + a 4 (%Nb) + a 5 (%Mo) + a 6 ε acc + a 7 ln(d γ ) + a 8 exp ( a 9 CR) Onde, T αi e T αf são as temperaturas iniciais e finais de transformação da ferrita, T bi e T bf são as temperaturas iniciais e finais de transformação da bainita. Equação 2 - Dureza Vickers: Dureza(HV) = b 1 + b 2 (%C + %Mn 16 ) + b 3 (%Nb) + b 4 (%Mo) + b 5 ε acc + b 6 ln(d γ ) + b 7 exp ( b 8 CR) Equação 3 - Tamanho de grão ferrítico: D = (c 1 + c 2 (%Nb) + c 3 (%Mo)). (D γ exp( ε acc )) m. (CR) p A figura abaixo representa um diagrama CCT de um aço carbono, sobre o qual encontramse superpostas seis curvas de resfriamento após laminação controlada: Figura 1 - Curvas de resfriamento após laminação, representadas sobre um diagrama CCT de um aço carbono. A curva 1 representa uma típica chapa produzida por laminação controlada seguida de resfriamento ao ar, cuja microestrutura consiste de uma mistura de ferrita e perlita. As curvas 2, 3 e 4 representam chapas processadas por ACC. Com taxas moderadas de resfriamento (curva 2), obtêm-se uma microestrutura ferrita-perlita, porém bem mais refinada que no caso anterior. 3

4 O refinamento microestrutural é atribuído à queda das temperaturas de início de formação da ferrita e da perlita, causada pelo aumento da taxa de resfriamento. Em outras palavras, o aumento do super-resfriamento abaixo das temperaturas de equilíbrio (Ae3 e Ae1) aumenta a quantidade de sítios para nucleação, resultando em refinamento da microestrutura. A elevação da taxa de resfriamento promove um refinamento adicional dos grãos ferríticos e a perlita é gradativamente substituída pela bainita (curvas 3 e 4). Finalmente, as curvas 5 e 6 representam chapas processadas por têmpera direta (DQ), em que são empregadas condições mais severas de resfriamento com objetivo de se obter uma microestrutura constituída, respectivamente, por martensita e bainita ou somente martensita (5). O resfriamento acelerado não é um processo que pode ser empregada de forma independente. Ao contrário, deve ser visto como parte de um complexo esquema de processamento. O processo de resfriamento acelerado só é totalmente efetivo quando controlado de maneira integrada, uma vez que, sozinho, não é capaz de assegurar melhorias significativas nas propriedades finais dos aços. As etapas de reaquecimento, de laminação e de resfriamento herdam, cada uma, os fenômenos físicos e metalúrgicos da etapa anterior. Portanto, para se obter uma microestrutura que atenda às propriedades mecânicas desejadas, é necessário considerar esses fenômenos em todas as etapas, desde a fabricação do aço líquido. A tabela 1 mostra os fenômenos metalúrgicos a serem considerados em cada etapa, os quais são selecionados e alterados em função das propriedades finais requeridas. O grande número de possibilidades existentes torna o processo bastante flexível e, ao mesmo tempo, complexo (6). Tabela 1 - Fenômenos metalúrgicos a serem considerados no processamento de chapas grossas por resfriamento acelerado. 4

5 2. Materiais e Métodos Será utilizado um projeto de liga para a produção das placas na aciaria visando a obtenção de chapas com as propriedades mecânicas de um aço da norma API grau X70. O aço deverá ser produzido na aciaria em convertedor, seguindo pelo processo de duplo refino, forno panela e em RH (desgaseificação a vácuo) e deverá conter baixos teores de fósforo, enxofre, hidrogênio e nitrogênio. O lingotamento contínuo deverá ser controlado a fim de se obter pouca ocorrência de segregação central. As placas serão reaquecidas, laminadas e processadas no resfriamento acelerado sob diferentes condições. Após a laminação, as chapas resultantes serão amostradas para a realização dos seguintes ensaios: Tração Ambiente, na direção transversal e longitudinal; Charpy (V2 mm), utilizando corpos de prova (CP s) com 10x10x55 mm, na direção transversal, à 1/4 da espessura e temperatura de -40 C; DWTT, com CP s dimensionados conforme a norma API-RP-5L3, entalhe Chevron, direção transversal e temperatura de -20 C; Dureza, com CP s dimensionados conforme a norma NBR NM ISO , 2 e 3; Metalografia TGF (tamanho de grão ferrítico). Será fotografada a metalografia em uma das periferias, a 1/4 da espessura e no centro da espessura com ampliação de 100X e 500X. Adicionalmente deverá ser determinada a proporção de fases; Análise química de produto, conforme a norma ASTM A708. O critério de variação deverá ser conforme a norma NTU-TVCQ-01; 3. Infraestrutura e Recursos Necessários Para o desenvolvimento da pesquisa, serão utilizadas placas produzidas na aciaria, através da rota Convertedor LD - Forno Panela - RH - Lingotamento Contínuo de Placas. Estas placas serão enfornadas em um Forno de Reaquecimento, ao atingir a temperatura objetivada, serão desenfornadas e laminadas em um Laminador Acabador de Chapas Grossas, sofrendo em seguida resfriamento acelerado no Mulpic. Os esboços resultantes dos processos descritos acima, serão subdivididos em chapas e terão amostras retiradas para posteriores ensaios em laboratórios. Das amostras retiradas, serão confeccionados corpos de prova no laboratório de ensaios mecânicos da usina, para a realização dos ensaios de tração, charpy, DWTT, análise química e metalográfica. Adicionalmente serão enviadas amostras para laboratórios externos à usina, para ensaios de torção a quente, seguida por ensaios metalográficos. A disponibilidade de infraestrutura e dos recursos necessários à execução da pesquisa fazem parte de projetos que estão em desenvolvimento na usina e são de total responsabilidade da empresa patrocinadora. 5

6 4. Cronograma de Execução 1 - Revisão bibliográfica; 2 - Definição da composição química e dos parâmetros de laminação; 3 - Produção (Placas, Esboços, Chapas e Amostras); 4 - Ensaios mecânicos internos (tração, charpy, dureza, DWTT, metalografia); 5 - Análise dos resultados dos ensaios mecânicos internos; 6 - Ensaio de torção a quente; 7 - Análise micrográfica dos ensaios de torção a quente; 8 - Comparação dos resultados obtidos com os simulados; 9 - Discussão sobre os resultados; 10 - Conclusão 11 - Defesa ºB 2ºB 3ºB 4ºB 5ºB 6ºB 1ºB 2ºB 3ºB 4ºB 5ºB 6ºB 5. Referências Bibliográficas 1) NISHIOKA, K., ICHIKAWA, K. Progress in Thermomechanical Control of Steel Plates and their Commercialization. Science and Technology of Advanced Materials. 13, ) GRAY, J.M., Low Manganese Sour Service Linepipe Steel, Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração - CBMM. Proceedings of the Microalloyed Steels for Sour Service International Seminar; 2012; São Paulo, Brasil. 3) ISASTI, N., GARCÍA-RIESCO, P.M., JORGE-BADIOLA, D., TAHERI, M., LÓPEZ, B., URANGA, P. Modeling of CCT Diagrams and Ferrite Grain Size Prediction in Low Carbon Nb Mo Microalloyed Steels, ISIJ International, v. 55, n. 9, p may ) PEREDA, B., IBABE, J.M.R., LÓPEZ, B. Improved Model of Kinetics of Strain Induced Precipitation and Microstructure Evolution of Nb Microalloyed Steels During Multipass Rolling, ISIJ International, v. 48, n. 10, p jul ) BODNAR, R.L., SHEN, Y., LIN, M. Accelerated cooling on Burns Harbor's 160" plate mil, In: Conference Proceedings from Materials Solutions '97 on Accelerated Cooling Direct Quenching of Steels, 1997, Indianapolis. Ohio: ASM International, p ) OKAMOTO, K., YOSHIE, A., NAKAO, H. Microstructures and mechanical properties of heavy steel plates produced by accelerated cooling and direct quenching process, In: 32nd Mechanical Working and Steel Processing Conference, Cincinnati, Ohio, USA, October p. 6