Palavras-Chaves: Inclusões não metálicas, Lingotamento contínuo de aços, Refino secundário dos aços, Aço de baixo carbono, MEV/EDS.

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1 ESTUDO DA NATUREZA DAS INCLUSÕES NÃO METÁLICAS EM AMOSTRAS DE AÇOS BAIXO CARBONO DESOXIDADOS AO ALUMÍNIO E AO SILÍCIO, COLETADAS NAS ETAPAS DE REFINO E LINGOTAMENTO CONTÍNUO. J.C.S. Pires (1,2), M. Fernandes Neto (1), A. Garcia (1) Caixa Postal 6122, , Campinas, São Paulo, Brasil. pires@cefetleo.com.br. (1) - Faculdade de Engenharia Mecânica/DEMA/UNICAMP (2) Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais, UNED Leopoldina RESUMO: A quantidade, a distribuição, o tamanho e a composição química de inclusões não metálicas tem uma influência direta nas propriedades dos aços. Através do controle, principalmente, do tamanho e da composição química dessas inclusões, é possível obter um produto final de boa qualidade. A identificação da natureza e o controle da formação de inclusões são de suma importância para a obtenção de aços limpos. O comportamento dessas inclusões é melhor estudado pela determinação da composição química das fases não metálicas que formam tais inclusões. Com o objetivo de estudar a composição química, o tamanho e a distribuição de tais inclusões, amostras de aço baixo carbono, desoxidado ao alumínio e ao silício, foram coletadas numa indústria siderúrgica nacional, nas etapas de refino secundário e de lingotamento contínuo. Estas amostras foram analisadas no microscópio eletrônico de varredura acoplado a um sistema de análise por energia dispersiva (MEV/EDS). A partir dos resultados obtidos foi possível avaliar a natureza das inclusões presentes e analisar a efetividade do processo de refino na eliminação de tais inclusões. Verificou-se que no final do tratamento no forno panela, as inclusões presentes são menos deletérias, tanto às propriedades do aço, quanto ao processo de lingotamento (entupimento da válvula submersa), devido a sua composição química e seu tamanho médio. Palavras-Chaves: Inclusões não metálicas, Lingotamento contínuo de aços, Refino secundário dos aços, Aço de baixo carbono, MEV/EDS. INTRODUÇÃO A resistência mecânica de componentes feitos de aços é controlada pela composição química e pelo tratamento, térmico e/ou mecânico, ao qual este aço é sujeito. Porém os defeitos estruturais, como as inclusões não metálicas, são também responsáveis pelo desempenho deste material quando sujeito a esforços mecânicos (1). O controle das inclusões não metálicas, principalmente de óxidos e sulfetos, está intimamente ligado ao conceito de aços limpos. Este conceito deve incluir uma exigência especial com relação à composição química, tamanho, morfologia, tipo e distribuição destas inclusões, além de levar em conta baixos teores de impurezas danosas, como o oxigênio, enxofre, fósforo, hidrogênio e o nitrogênio (2). Considerando a natureza e a quantidade de desoxidante utilizado no tratamento do aço a presença de inclusões é inevitável, entretanto a natureza e a quantidade de tais inclusões pode ser modificada no decorrer do tratamento do aço líquido no forno panela (3). Para se ter sucesso no tratamento do aço líquido, é necessário um razoável conhecimento do processo. Durante a etapa de refino do aço é possível controlar a formação de inclusões não metálicas através do controle da composição química do aço líquido e da escória, da temperatura e principalmente do teor de oxigênio remanescente na etapa final de elaboração do aço no convertedor. Controlando estas variáveis podese obter, no aço, as características adequadas à conformação mecânica, evitar o entupimento de válvulas no lingotamento contínuo e otimizar a ação dos desoxidantes (4,5). O conhecimento das fases não metálicas em equilíbrio com o aço líquido é muito importante para o projeto e para o controle das etapas de refino do aço, em particular, a desoxidação, a dessulfuração e o controle da forma das inclusões (6). Durante o tratamento no forno panela, a composição química do banho é ajustada e o nível de oxigênio é reduzido. As inclusões presentes no aço desoxidado ao alumínio são formadas, principalmente, por alumina, que é o produto da reação entre o alumínio com o oxigênio dissolvido no banho. Se cálcio for adicionado após a desoxidação com alumínio, a modificação das inclusões de alumina irá acontecer simultaneamente com as 3218

2 reações do cálcio com o oxigênio e, dependendo do nível de enxofre residual, haverá a reação deste com o cálcio. A modificação das inclusões produz partículas líquidas as quais são facilmente separadas do metal e aquelas que permanecem no banho são pequenas e esféricas e, por isso, não tem efeito deletério sobre as propriedades do aço (2,3). Para se conseguir as modificações desejáveis na composição das inclusões, é necessário um preciso controle da adição de cálcio no banho. Vários tipos de inclusões podem ser formadas, como função do nível de oxigênio, enxofre e cálcio. Estes níveis são determinados pelos parâmetros do processo e pelo tipo de aço. A predição das condições ótimas de formação de inclusões desejáveis requer complexos cálculos termodinâmicos, como mostrado por Gaye et al. (7) e por outros autores (2,8). O desempenho de tais cálculos para cada tipo particular de aço requer um extensivo número de dados termodinâmicos, os quais não são geralmente disponíveis, tornando estes cálculos ainda mais árduos. Por outro lado, uma boa prática de modificação da composição da inclusão, deve ser acompanhada por uma eficiente prática de eliminação das inclusões durante o refino no forno panela. Uma boa eliminação das inclusões depende da natureza dessas inclusões, da composição química da escória de cobertura e das condições hidrodinâmicas (agitação e injeção de gás inerte) do banho durante o tratamento (3). Neste trabalho, um estudo da composição química, do tamanho e da distribuição de inclusões não metálicas foi realizado em amostras de aço de baixo carbono desoxidado ao alumínio e o silício, coletadas numa siderúrgica nacional, durante as etapas de refino secundário e de lingotamento destes aços. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Amostragem Para a caracterização da evolução da composição química e da população de inclusões durante as etapas de refino no forno panela (FP) e lingotamento, amostras de aço SAE 1010 desoxidado ao alumínio e do aço SAE 5 desoxidado ao silício foram coletadas em corridas em escala industrial. As amostras do aço SAE 1010 foram enumeradas de 1 a 4 enquanto que as amostras do aço SAE 5 foram enumeradas de 5 a 8. Ambas foram classificadas de acordo com o estágio e com o tempo de coleta, como apresentado na tabela 1. Tabela I Seqüência de amostragem dos aços SAE 1010 e 5, durante as etapas do processo. Aço SAE 1010, desoxidado ao alumínio. Amostra Descrição 1 Coletada após o v azamento do aço do forno LD para o FP (início do tratamento). 2 Coletada no FP, após adição de alumínio, (30 min de tratamento). Coletada no final do tratamento no FP, após a adição de liga CaSi.(min de 3 tratamento) 4 Coletada no distribuidor, 10 minutos após o início do lingotamento. Aço SAE 5, desoxidado ao silício. Amostra Descrição 5 Coletada no FP no início do tratamento. 6 Coletada no FP, após 30 min de tratamento. 7 Coletada no FP no final do tratamento. 8 Coletada no distribuidor, 15 min após o início do lingotamento. Análise ao microscópio ótico e eletrônico de varredura As amostras foram preparadas metalograficamente (embutidas, lixadas e polidas) e analisadas, primeiramente no microscópio ótico com o auxílio de um analisador de imagens, para a verificação da quantidade de inclusões por unidade de área. A área analisada foi de aproximadamente mm 2. Posteriormente essas amostras foram analisadas no MEV/EDS para estimar a composição química das inclusões presentes. 3219

3 RESULTADOS E DISCUSSÕES. As amostras dos aços SAE 1010 desoxidado ao alumínio e SAE 5 desoxidado ao silício foram analisadas no MEV/EDS e os resultados estão mostrados, separadamente, nas figuras 1 e 2. Observa-se nestas figuras que as inclusões presentes, em ambos os aços, apresentam um comportamento semelhante. As inclusões consistem basicamente de silico-aluminato de cálcio, com teores variáveis de outros óxidos, como o MnO, MgO. Nas inclusões analisadas nas amostras do final de tratamento do aço SAE 1010 pôde-se verificar também a presença de sulfetos, de cálcio e de manganês. Isso demonstra que se atingiu um equilíbrio termodinâmico entre os elementos presentes no aço ocorrendo assim a modificação da composição química das inclusões. O fato de ter havido um tratamento eficiente do aço líquido pode ser também verificado pela variação do teor de alumina nas inclusões presentes nas amostras de ambos os aços. Verifica-se que na amostras de início de tratamento (amostras 1 e 5), o teor de alumina (Al 2 O 3 ) chega a até % e, à medida que o tratamento de refino vai prosseguindo, este teor diminui para menos de % no aço SAE 5 e para aproximadamente % no aço SAE1010. O mesmo pode ser verificado com relação ao teor de MnO no aço SAE 5, onde o teor inicialmente é alto, cerca de 50%, e cai progressivamente até o final do tratamento. Outro indício da eficiente modificação da composição química das inclusões é o teor de cálcio que tem o seu valor elevado do início para o fim do tratamento, indicando que houve a modificação das inclusões que inicialmente eram predominantemente de alumina, sólida na temperatura de elaboração do aço passando, ao final do tratamento, a ser composta de aluminado de cálcio que são líquidas a 10ºC. MnS CaS MgO MnO SiO 2 CaO Al 2 O

4 MnO SiO 2 CaO Al 2 O Figura 1 Evolução da composição química das inclusões analisadas nas amostras do aço SAE 1010 desoxidado ao alumínio. Figura 2 Evolução da composição química das inclusões analisadas nas amostras do aço SAE 5 desoxidado ao silício. A grande heterogeneidade de composição das inclusões, observada no início do tratamento no FP, pode ser explicada, considerando a formação de uma zona de alta saturação durante a operação de vazamento do aço do LD para o FP. Durante esta operação, elementos de liga e desoxidantes são dissolvidos no banho líquido criando uma zona de alta concentração de elementos desoxidantes nas proximidades das partículas dissolvidas. Esta zona reagirá tanto com o oxigênio dissolvido, formando inclusões endógenas com alto teor de SiO 2 e Al 2 O 3, quanto com partículas de escórias formadas durante o vazamento. Nesta segunda reação, grandes inclusões exógenas de silico-aluminatos se formarão dependendo das quantidades de silício e alumínio dissolvidos e também da relação Al 2O 3/CaO na escória (3). Com a continuação do tratamento no FP, estas grandes inclusões são eliminadas progressivamente, como pode ser observado nas figuras 3 e 4. Número de Inclusões SAE 1010 Desox. Al SAE 5 Desox. Si

5 Figura 3 Variação do número de inclusões por mm 2 de área para os aços SAE 1010 e 5. Área Ocupada pelas Inclusões 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0, SAE 1010 Desox. Al SAE 5 Desox. Si 4 8 Figura 4 Área ocupada pelas inclusões, em relação à área de mm 2, analisada nas amostras dos aços SAE 1010 e 5. Por mais longo que seja o tratamento do aço no FP, inclusões menores que 25 µm sempre estarão presentes no seio do metal líquido e irão permanecer na microestrutura após a solidificação do aço. Portanto é necessário que se controle a composição destas inclusões, de modo que estas se tornem deformáveis ao longo do processo subseqüente de conformação plástica do aço. A figura 5 apresenta fotografias de inclusões analisadas no MEV/EDS. A inclusão da figura 5(a) foi obtida na amostra 2 do aço SAE 1010 desoxidado ao alumínio enquanto que a inclusão da figura 5(b) foi obtida na amostra 6 do aço SAE 5 desoxidado ao silício. (a) (b) Figura 5 (a) Inclusão obtida na amostra do aço SAE 1010 desoxidado ao alumínio e (b) inclusão obtida na amostra do aço SAE 5 desoxidado ao silício. CONCLUSÔES Foi possível conhecer melhor a natureza das inclusões não metálicas que se formam nos aços SAE 1010 desoxidado ao alumínio e SAE 5 desoxidado ao silício. A partir desse conhecimento pode-se atuar no sentido de tentar minimizar a sua formação através de práticas de refino adequado. Verificou-se que o tratamento de ambos os aços no FP foi adequado, pois se conseguiu eliminar, progressivamente, as grandes inclusões, fixando-as na escória de cobertura. 3222

6 Outra observação pertinente é com relação à modificação da composição química das inclusões presentes em ambos os aços. No início do tratamento estas inclusões eram praticamente de alumina pura, que são sólidas a 10ºC, enquanto que no final do tratamento, após a adição de ligas a base de Ca, a composição das inclusões mudou para aluminato de cálcio, que não tem efeito prejudicial em termos de entupimento das válvulas de lingotamento contínuo. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico e à FAPESP Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo pelo apoio financeiro aos autores deste trabalho. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) M. Gagné, E. Thibault, Can. Metall. Quarterly, 38, n.5 (1999) (2) L.E.K. Holappa, A.S. Helle, J. Mat. Proc. Technology, 53 (1995) (3) M. Herrera-Trejo, M.R. Castro, J.N. Méndez, H.T. Solís, J.M. Tena, E. Guzmá n, Scand. J. Metallurgy 27 (1998) (4) L.C. Oertel, A.L.V. Costa e Silva, Anais do XXVIII Seminário sobre Fusão, Refino e Solidificação dos Aços (ABM), Campinas, SP, Brasil, Maio de (5) M. Fernandes Neto; N. Cheung, A. Garcia, Anais do XXXI Seminário sobre Fusão, Refino e Solidificação dos Metais (ABM), Vitória, ES, Brasil, Maio de 00. (6) L.C. Oertel, A.L.V. Costa e Silva, Calphad 23, n.3-4 (1999) (7) H. Gaye, C. Gatellier, M. Nadif, P.V. Riboud, J. Saleid, M. Faral, Rev. Métallurgie -CIT, nov. (1987) (8) K. Larsen, R.J. Fruehan, ISS Transactions, 12 (1991)

7 STUDY OF NATURE OF NON-METALLIC INCLUSIONS IN SAMPLES OF ALUMINUM AND SILICON KILLED LOW CARBON STEELS, COLLECTED IN THE REFINING TREATMENT AND CONTINUOUS CASTING STAGES. J.C.S. Pires (1,2), M. Fernandes Neto (1), A. Garcia (1) PO. Box: 6122, Zip code: , Campinas, São Paulo, Brazil. (1) State University of Campinas, Faculty of Mechanical Engineering - DEMA/FEM/UNICAMP. (2) Federal School of Technological Education, Leopoldina, Minas Gerais, Brazil. ABSTRACT The amount, distribution, size and chemical composition of non-metallic inclusions have a direct influence on steel properties. By controlling size and chemical composition of these inclusions, it is possible to get a product with good quality. The identification of nature and the control of inclusions formation are very importance for steel cleanness. The behavior of these inclusions is studied by the determination of the chemical composition of non-metallic phases that form such inclusions. With the objective of studying the chemical composition, the size and the distribution of such inclusions, samples of aluminum and silicon killed low carbon steels were collected in a national steel industry in the secondary refining and continuous casting stages. These samples were analyzed in the scanning electron microscope (SEM) connected to an energy dispersive analysis system (EDS). From the results it was possible to evaluate the nature of inclusions and to analyze the effectiveness of the refining process to eliminate the inclusions. It also was possible to verify that, the inclusions which remained after treatment, are less deleterious both to the steel properties as to the continuous casting process (clogging of the submerged valve). Keywords: Non- metallic inclusions, Steel treatment, Low carbon steel, Scanning electron microscope (SEM/EDS), Continuous casting process. 3224