CINÉTICA DA DISSOLUÇÃO DE PRECIPITADOS DURANTE O REAQUECIMENTO DE PLACAS DE AÇO MICROLIGADO

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1 doi: /t CINÉTICA DA DISSOLUÇÃO DE PRECIPITADOS DURANTE O REAQUECIMENTO DE PLACAS DE AÇO MICROLIGADO Antonio Augusto Gorni Resuo Desenvolveu-se u odelo ateático para deterinar a cinética de solubilização de eleentos icroligantes durante o reaqueciento de placas de aço para a lainação a quente. O odelo perite verificar que, sob condições práticas de reaqueciento de placas, precipitados eutéticos co taanho superior a 25 n não serão copletaente dissolvidos, reduzindo o teor de Nb solubilizado na austenita. Tabé verifica-se que a eficiência da solubilização varia e função de pequenas oscilações na coposição quíica de aços icroligados, fato que é particularente iportante nas chaadas arcas de skid (regiões ais frias) das placas reaquecidas. Palavras-chave: Solubilização; Cinética; Aço icroligado; Modelo ateático. DISSOLUTION KINETICS OF PRECIPITATES DURING MICROALLOYED Abstract STEEL SLAB REHEATING This work describes a atheatical odel for the calculation of the solution kinetics of icroalloying eleents during steel slab reheating previous to hot rolling. That odel shows that, under the industrial practical conditions of slab reheating, eutectoid precipitates with size greater than 25 n are not copletely dissolved, decreasing the free Nb content in austenite. It is also verified that the solution efficiency varies according to sall oscillations in cheical coposition of the icroalloyed steels, a situation that is particularly iportant in the so called skid arks (colder regions) in the reheated slabs. Keywords: Solution; Kinetics; Microalloyed steel; Matheatical odel. 1 INTRODUÇÃO A solubilização plena do Nb e de outros eleentos icroligantes durante a austenitização é ua condição essencial para que os aços estruturais ARBL (Alta Resistência e Baixa Liga) responda adequadaente à lainação controlada e desenvolva as propriedades ecânicas esperadas. Ao longo das últias décadas fora desenvolvidos inúeros estudos sobre a solubilidade dos eleentos icroligantes, particularente sobre as equações que perite calcular os teores de equilíbrio dos icroligantes solubilizados na austenita e função da teperatura. (1) Por outro lado, poucos estudos fora feitos sobre a cinética de dissolução dos precipitados de eleentos icroligantes nos aços, uito provavelente devido às grandes dificuldades experientais envolvidas e sua análise etalográfica. Na prática considera-se, geralente, que são necessários de 1 inutos a 3 inutos sob a teperatura ínia prevista pelas equações terodinâicas de solubilidade para que ocorra a solução copleta dos precipitados na austenita. Contudo, é uito conveniente ter ua idéia ais precisa do tepo ínio necessário para a solubilização. Neste caso, pode-se iniizar o tepo de reaqueciento dos aços icroligados, reduzindo seu custo de produção e auentando a produtividade da linha. A icroestrutura das placas de aços ARBL produzidas por lingotaento contínuo apresenta precipitados de eleentos icroligantes co vários taanhos, foratos e coposições quíicas ao longo da espessura do sei-produto. (2,3) No caso específico de u aço icroligado ao NbTiV (2) foi verificado que 8% dos precipitados são esféricos e ede entre 1 n e 15 n; 1% são cúbicos, edindo entre 6 n e 3 n; e os restantes 1% apresenta forato de estrela ou asa, apresentando taanhos entre 15 n e 3 n. A região interdendrítica apresenta aior concentração de precipitados, ua vez Mebro da ABM. Engenheiro de Materiais, M. Eng., Dr. Eng., Especialista da Gerência de Suporte Técnico da Lainação a Quente, Usiinas-Cubatão, Rodovia Cônego Doênico Rangoni s/n, Bairro Jardi das Indústrias, Cep , Cubatão, SP, Brasil. E-ail: antonio.gorni@usiinas.co Tecnol. Metal. Mater. Miner., São Paulo, v. 8, n. 1, p , jan.-ar

2 que o Nb apresenta forte tendência à segregação devido a seu alto índice de partição: o aço líquido interdendrítico apresenta teor desse eleento sete vezes superior à coposição quíica noinal da liga. Essa distribuição irregular de precipitados provoca variações locais na eficácia dos precipitados e conter o cresciento de grão (o chaado efeito de Zener pinning) e na velocidade de sua dissolução durante o reaqueciento da placa. De fato, o tepo necessário para a dissolução de precipitados está diretaente associado ao seu taanho. Ua análise icroestrutural de bobinas a quente de aços icroligados nacionais (4) revelou a presença de precipitados eutéticos grosseiros co taanho superior a 5 n. A fração e coposição quíica desses precipitados peritira estiar que apenas de 51% a 67% dos eleentos icroligantes fora solubilizados, restando portanto de 33% a 49% na fora cobinada, inertes do ponto de vista etalúrgico. Obviaente, isso constitui u significativo desperdício. Essa situação otivou o desenvolviento de u odelo ateático para calcular a cinética de solubilização dos eleentos icroligantes sob as condições típicas de reaqueciento das placas de aços estruturais, co o objetivo de se caracterizar elhor os possíveis efeitos decorrentes de variações do taanho de precipitados, da coposição quíica e da teperatura na solubilização desses eleentos. 2 DESENVOLVIMENTO DO MODELO DE CINÉTICA DE SOLUBILIZAÇÃO O odelo ateático aqui desenvolvido baseia-se na proposta de Andersen e Grong, (5) onde são consideradas as seguintes condições: precipitados esféricos, fluxo de solução controlado pela difusão do átoo ais lento e precipitados suficienteente distantes de fora que não houvesse interação entre seus fluxos de difusão. É adotada a forulação de cinética de dissolução não-isotérica, que é a situação representativa para o reaqueciento de placas. Neste caso, a evolução do raio r do precipitado ao longo do tepo é dada pela fórula t2 2 2 = 2 α (1) t1 r r D dt onde r é o raio inicial do precipitado, D é a difusividade do eleento que está sendo solubilizado e α é u fator que define o potencial terodinâico para o processo através da supersaturação do eleento que está sendo solubilizado, sendo: C i C = C C i (2) onde C i é a concentração de equilíbrio do soluto na interface precipitado/atriz, C é a concentração de soluto na atriz e C o é a coposição quíica noinal da liga. Já a evolução da fração f dos precipitados ao longo do tepo é dada pela fórula: 3/2 2 t2 1 2 r (3) t 1 f = f α D dt onde f é a fração inicial de precipitados presente na icroestrutura. A dissolução não-isotérica iplica nua coplicação adicional, já que a fração de precipitados e sua coposição quíica (e, consequenteente, da atriz) são funções da teperatura. Neste caso, é necessário epregar u odelo ateático para calcular o equilíbrio terodinâico entre os precipitados de eleentos icroligantes e a austenita, que já havia sido desenvolvido e outra oportunidade. (6) Essa forulação ateática foi ipleentada nu prograa e Visual Basic, peritindo interação aigável co o usuário, inclusive co a geração de gráficos. 3 APLICAÇÕES DO MODELO DE CINÉTICA DE SOLUBILIZAÇÃO Os relativaente poucos estudos sobre a cinética da dissolução de precipitados geralente antê seu foco na icroestrutura, ou seja, eles analisa a evolução do diâetro e da fração dos precipitados ao longo do tepo. As aplicações descritas neste trabalho expressa a dissolução através do teor de Nb solubilizado na austenita, u parâetro uito ais significativo do ponto de vista industrial. A curva de aqueciento adotada nos cálculos é típica de condições industriais, tendo sido considerada aqui a pior situação e teros de encharque térico. Ou seja: foi considerada a evolução da teperatura na etade da espessura da placa e no ponto de seu copriento onde ela se encontra apoiada sobre o skid do forno de reaqueciento. Esse skid é refrigerado a água, roubando calor da placa nesse ponto específico e reduzindo localente sua teperatura. 3.1 Efeito do Taanho do Precipitado Para esta análise foi considerado u aço icroligado hipotético, coercialente representativo, que apresenta a seguinte coposição quíica:,11% C,,5% Nb,,16% Ti e,43% N. Fora considerados três taanhos de precipitado: édio (17 n, confore Borggren et al. (3) para aço ao NbTi) e eutéticos (25 e 5 n). (2-4) 2 Tecnol. Metal. Mater. Miner., São Paulo, v. 8, n. 1, p , jan.-ar. 211

3 Confore ostrado na Figura 1, os precipitados de taanho édio apresenta dissolução do Nb na austenita quase que iediata a partir de aproxiadaente 975 C para a pior condição de reaqueciento industrial da placa. Já os precipitados eutéticos co 25 n apresenta cinética be ais lenta, havendo ua defasage entre os teores solubilizados previstos pelo odelo terodinâico e pelo odelo cinético durante quase todo o tepo de reaqueciento, exceto e seus oentos finais, quando finalente ocorre a solubilização plena do Nb. Já no caso dos precipitados eutéticos de 5 n o odelo de cinética de solubilização prevê que não haverá solubilização total desse eleento ao final do reaqueciento da placa. Portanto, para esta liga específica, as condições de solidificação durante o lingotaento contínuo deve, tanto quanto possível, evitar a foração de precipitados eutéticos co taanho superior a 25 n. Estes resultados são confirados por odelos industriais usados para prever as propriedades ecânicas de lainados planos fabricados co aços icroligados, tais coo o Structura (IRSID) (7) e Tacsi (ArcelorMittal). (8) Eles desconsidera a cinética de solubilização dos eleentos icroligantes durante o reaqueciento da placa, calculando o teor solubilizado de eleentos icroligantes a partir do odelo terodinâico de equilíbrio, exclusivaente e função da coposição quíica do aço e da teperatura por ele alcançada. 3.2 Efeito da Coposição da Liga A seguir é estudado o efeito que pequenas variações na coposição quíica dos aços icroligados poderia exercer na solubilização do Nb na austenita. São propostos casos relevantes de flutuação de coposição quíica, toando-se coo base o aço estudado no ite anterior, que estão ostrados na Tabela 1. A liga Média corresponde ao aço já citado. As ligas Mínia e Máxia corresponde às coposições quíicas co os teores de todos os eleentos no valor ínio ou áxio, respectivaente, dentro da faixa aqui estudada. A liga ProMicr possui teores ínios de eleentos intersticiais e teores áxios de eleentos icroligantes, enquanto que, na liga ProInt, ocorre exataente o contrário. Tabela 1. Ligas consideradas para o estudo do efeito de flutuações na coposição quíica sobre a solubilização do Nb e aços icroligados. Teores expressos e percentage e peso Liga C Nb Ti N Média,11,5,16,43 Mínia,9,45,1,5 Máxia,12,55,22,8 ProMicr,9,55,22,5 ProInt,12,45,1,8 Figura 1. Evolução da solubilização prevista do Nb e da teperatura no interior da placa ao longo do tepo de reaqueciento para o aço aqui estudado. Taanho de precipitado: a) 17 n; b) 25 n; e c) 5 n. A Figura 2 ostra a evolução do teor de Nb solúvel e da taxa de sua solubilização ao longo da teperatura para as ligas apresentadas na Tabela 1. Coo se pode observar, a evolução do teor desse eleento icroligante ao longo da teperatura apresenta variações confore a coposição quíica específica do aço. A liga ProInt apresenta a pior evolução de solubilidade ao longo da teperatura: lenta e liitada, apresentando teor ínio de Nb solúvel (,42%) a 1.25 C. A liga Média é a ais conveniente e confiável do ponto de vista industrial, tendo apresentado rápida solubilização e faixa de teperaturas relativaente baixas (1.15 C-1.17 C), seguida de leve cresciento no teor de Nb solubilizado para aiores teperaturas. Tecnol. Metal. Mater. Miner., São Paulo, v. 8, n. 1, p , jan.-ar

4 3.3 Efeito das Marcas de Skid e Função da Coposição Quíica Durante o reaqueciento industrial de placas de aço é inevitável que elas apresente enores teperaturas nas regiões onde se encontra apoiadas nos skids refrigerados a água do forno. As diferenças de teperatura ao longo da placa pode ser significativas: por exeplo, no oento do desenfornaento, o núcleo da placa pode estar a C, enquanto que o eso local na região dos skids apresenta teperatura de C portanto, ua diferença de 3 C. A Tabela 2 ostra os teores calculados de Nb solubilizado no oento do desenfornaento para esses dois pontos da placa (na região do skid e longe dela) considerando as ligas apresentadas na Tabela 1. Coo já esperado, a diferença no teor de Nb solubilizado na austenita entre esses dois pontos da placa é função da coposição quíica da liga. A diferença observada é ínia no caso da liga Média e áxia, no caso da liga ProMicr, cujo grau áxio de solubilização só é alcançado para teperaturas uito altas, da orde de 1.24 C. A liga ProInt tabé apresenta flutuação significativa nos teores de Nb solúvel entre as regiões da placa fora e dentro da região do skid. Tabela 2. Diferença nos teores de Nb solubilizado no núcleo da placa e função da variação na teperatura de desenfornaento causada pelas arcas de skid e por oscilações na coposição quíica do aço Figura 2. a) Evolução do teor de Nb solubilizado ao longo da teperatura e b) taxa de sua solubilização e relação à teperatura para as ligas ostradas na Tabela 1. Já as ligas Máxia e ProMicr exigira aiores teperaturas para atingir os esos níveis de solubilização relativos à liga Média, as perite a obtenção de aiores teores de Nb solúvel e relação a ela, desde que a teperatura de reaqueciento seja superior a 1.21 C, já que o teor de Nb total é aior para as duas prieiras ligas. A liga Mínia apresenta solubilização ais rápida do Nb até 1.15 C, as é ultrapassada a partir dessa teperatura por todas as deais, exceto a ProInt. Coo se pode observar, variações relativaente pequenas nos teores dos eleentos envolvidos nos precipitados de eleentos icroligantes (Nb, Ti, C e N) pode conduzir a alterações significativas na evolução da solubilização do Nb ao longo do reaqueciento da placa, o que se pode refletir na resposta do aço à lainação controlada e, consequenteente, nas propriedades ecânicas do produto final. Liga Nb sol ΔNb sol C C [% peso] ΔNb sol [% peso] Média,48,46 -,2-4 Mínia,44,42 -,2-5 Máxia,49,45 -,4-8 ProInt,41,37 -,4-1 ProMicr,5,38 -, Efeito na Coposição Quíica no Taanho Máxio de Precipitado Solubilizável As variações na solubilidade do Nb ao longo da teperatura e função da coposição quíica da liga, já apresentadas nos itens anteriores, tabé acaba alterando o taanho áxio de precipitado que pode ser dissolvido na austenita durante o reaqueciento da placa. Já foi visto no ite 3.1 que, no caso da liga Média e considerando as condições de reaqueciento lá descritas, pode ser dissolvidos precipitados eutéticos de até 25 n. Mais ua vez esta liga ostra u coportaento uito adequado, pois este é o elhor caso dentre todas as ligas ostradas na Tabela 1. De acordo co o odelo cinético desenvolvido neste caso, o taanho áxio de preci- 22 Tecnol. Metal. Mater. Miner., São Paulo, v. 8, n. 1, p , jan.-ar. 211

5 pitado que pode ser solubilizado para as condições de reaqueciento industrial consideradas aqui é decrescente confore a sequência de ligas a seguir: Máxia (225 n), ProMicr (2 n), Mínia (175 n) e ProInt (15 n). Estes resultados indica que ligas co teores ais baixos e enos balanceados de Nb, Ti, C e N tende a apresentar enor potencial de difusão na austenita, retardando a solubilização de seus precipitados. 4 CONCLUSÕES A análise dos aspectos cinéticos e terodinâicos da solubilização dos eleentos icroligantes durante o reaqueciento de placas de aço evidencia que deve ser levados e conta diversos parâetros para se conseguir u teor consistente de Nb solúvel no oento do desenfornaento: coposição quíica balanceada: ela deve propiciar rápida solubilização do Nb sob as enores teperaturas possíveis pela axiização do potencial terodinâico de difusão desse eleento; orfologia dos precipitados na icroestrutura bruta de fusão da placa: os precipitados eutéticos grosseiros deve ser refinados e sua fração voluétrica iniizada; condições de reaqueciento: o processo de reaqueciento industrial deve garantir que o núcleo da placa atinja a teperatura ínia para solubilização plena do Nb, inclusive nas regiões das arcas de skid. Alé disso, deve ser iniizado o gradiente de teperatura entre essas regiões e o restante da placa. A otiização da solubilização dos eleentos icroligantes durante o reaqueciento de placas é ua edida fundaental para garantir aior confiabilidade do processo de lainação controlada, levando à fabricação de produtos co enor dispersão e suas propriedades ecânicas. Este é u ponto vital para o atendiento ao cliente e para a garantia da copetitividade das usinas. REFERÊNCIAS 1 GLADMAN, T. The physical etallurgy of icroalloyed steels. London: Ashgate, CHAKRABARTI, D. et al. Developent of biodal grain structures in nb-containing high-strength low-alloy steels during slab reheating. Metallurgical and Materials Transactions A, v. 39A, n. 8, p , Aug BORGGREN, U. et al. A odel for particle dissolution and precipitation in HSLA steels. Advanced Materials Research, v , p , GALLEGO, J. et al. Carbonitretos eutéticos e aços icroligados coerciais. In: CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA E CIÊNCIA DOS MATERIAIS CBECIMAT, 19., 22, Natal. Anais... São Paulo: Metallu, 22. p ANDERSEN, I.; GRONG, O. Analytical odelling of grain growth in etals and alloys in the presence of growing and dissolving precipitates I. Noral grain growth. Acta Metallurgica et Materialia, v. 43, n. 7, p , July GORNI, A. A. Spreadsheet applications in aterials science. In: FILBY, G. (Ed.) Spreadsheets in science and engineering. Berlin: Springer, p PIETTE, M.; PERDRIX, C. An integrated odel for icrostructural evolution in the hot strip ill and tensile properties prediction of plain and icroalloyed C-Mn Hot Strip. Materials Science Foru, v , p , HUIN, D. et al. Microstructural odelling for NbTi icro-alloying adjusteent on hot rolled HSLA steels. In: INTERNATIONAL CONFERENCE ON THERMOMECHANICAL PROCESSING OF STEELS TMP 28, Padua. Proceedings. Padua: Associazione Italiana di Metallurgia, 28. Recebido e: 1/1/211 Aprovado e: 16/3/211 Tecnol. Metal. Mater. Miner., São Paulo, v. 8, n. 1, p , jan.-ar