Fundição contínua - Continuous casting

A macroestrutura do cobre fundido continuamente (99,95% puro), gravado , ∅ ≈ 83 mm.

A fundição contínua , também chamada de fundição de cordão , é o processo pelo qual o metal fundido é solidificado em um tarugo , bloco ou placa "semiacabado" para laminação subsequente nas usinas de acabamento. Antes da introdução da fundição contínua na década de 1950, o aço era derramado em moldes estacionários para formar lingotes . Desde então, o "lingotamento contínuo" evoluiu para alcançar melhor rendimento, qualidade, produtividade e eficiência de custos. Permite a produção de perfis metálicos com menor custo e melhor qualidade, devido aos custos inerentemente menores de produção contínua e padronizada de um produto, além de proporcionar maior controle sobre o processo por meio da automação. Este processo é usado com mais frequência para fundir aço (em termos de tonelagem fundida). Alumínio e cobre também são fundidos continuamente.

Sir Henry Bessemer , conhecido como conversor Bessemer , recebeu uma patente em 1857 por fundir metal entre dois rolos giratórios. O esboço básico desse sistema foi implementado recentemente na fundição de tiras de aço.

Equipamento e processo

Fundição contínua. 1: Concha. 2: Stopper. 3: Tundish. 4: Mortalha. 5: Molde. 6: Suporte de rolo. 7: Zona de manobra. 8: Mortalha. 9: Nível do banho. 10: Menisco. 11: Unidade de retirada. 12: Laje.

R: Metal líquido. B: Metal solidificado. C: Escória. D: Placas de cobre resfriadas a água. E: Material refratário.
Lingotamento contínuo (Tundish e Mold). 1: Concha. 2: Tundish. 3: Molde. 4: Tocha de plasma. 5: Stopper. 6: Zona reta.

Aço

O metal derretido é extraído das fornalhas para a concha. Depois de passar por qualquer tratamento da panela, como liga e desgaseificação, e chegar à temperatura correta, a panela é transportada para o topo da máquina de fundição. Normalmente, a concha fica em uma ranhura em uma torre giratória na máquina de fundição. Uma concha está na posição 'fundido' (alimentando a máquina de fundição) enquanto a outra é preparada na posição 'não fundido', e é trocada para a posição de fundição quando a primeira concha está vazia.

Da concha, o metal quente é transferido por meio de uma cobertura refratária (tubo) para um banho de retenção denominado tundish . O distribuidor permite que um reservatório de metal alimente a máquina de fundição enquanto as conchas são trocadas, agindo assim como um buffer de metal quente, além de suavizar o fluxo, regulando a alimentação de metal para os moldes e limpando o metal (veja abaixo).

Normalmente, um refratário de revestimento de trabalho descartável usado é chamado de " tundish boards".

O metal é drenado do distribuidor através de outra mortalha para o topo de um molde de cobre de base aberta . A profundidade do molde pode variar de 0,5 a 2 metros (20 a 79 pol.), Dependendo da velocidade de fundição e do tamanho da seção. O molde é resfriado com água para solidificar o metal quente diretamente em contato com ele; este é o principal processo de resfriamento . Ele também oscila verticalmente (ou em um caminho curvo quase vertical) para evitar que o metal grude nas paredes do molde. Um lubrificante (pós que derretem em contato com o metal ou líquidos) é adicionado ao metal no molde para evitar a aderência e para prender quaisquer partículas de escória - incluindo partículas de óxido ou incrustação - que podem estar presentes no metal e trazer -los para o topo da piscina para formar uma camada flutuante de escória. A blindagem é ajustada de forma que o metal quente saia abaixo da superfície da camada de escória no molde e, portanto, é chamada de bocal de entrada submersa (SEN). Em alguns casos, as coberturas não podem ser usadas entre o distribuidor e o molde (fundição em vazamento aberto); neste caso, bicos de dosagem intercambiáveis ​​na base do distribuidor direcionam o metal para os moldes. Alguns layouts de lingotamento contínuo alimentam vários moldes do mesmo distribuidor.

No molde, uma fina casca de metal próxima às paredes do molde se solidifica antes que a seção do meio, agora chamada de fio, saia da base do molde para uma câmara de pulverização. A maior parte do metal dentro das paredes do fio ainda está derretido. O fio é imediatamente suportado por rolos resfriados a água bem espaçados que suportam as paredes do fio contra a pressão ferrostática (compare a pressão hidrostática ) do líquido ainda em solidificação dentro do fio. Para aumentar a taxa de solidificação, o fio é pulverizado com grandes quantidades de água ao passar pela câmara de pulverização; este é o processo de resfriamento secundário . A solidificação final do fio pode ocorrer depois que o fio saiu da câmara de pulverização.

É aqui que o design das máquinas de fundição contínua pode variar. Isso descreve uma máquina de fundição de 'avental curvo'; configurações verticais também são usadas. Em uma máquina de fundição de avental curvo, o fio sai do molde verticalmente (ou em um caminho curvo quase vertical) e à medida que viaja através da câmara de pulverização, os rolos gradualmente curvam o fio em direção à horizontal. Em uma máquina de fundição vertical, o fio permanece vertical ao passar pela câmara de pulverização. Os moldes em uma máquina de fundição de avental curvo podem ser retos ou curvos, dependendo do projeto básico da máquina.

Em uma verdadeira máquina de fundição horizontal, o eixo do molde é horizontal e o fluxo do aço é horizontal do líquido para a casca fina e para o sólido (sem dobra). Neste tipo de máquina, a oscilação do fio ou do molde é usada para evitar que grude no molde.

Após sair da câmara de pulverização, o fio passa por rolos de endireitamento (se fundidos em outra máquina que não seja vertical) e rolos de extração. Pode haver um posto de laminação a quente após a retirada para aproveitar as vantagens da condição quente do metal para pré-moldar o fio final. Finalmente, o fio é cortado em comprimentos predeterminados por tesouras mecânicas ou por maçaricos de oxiacetileno móveis, é marcado para identificação e é levado para uma pilha ou para o próximo processo de formação.

Em muitos casos, o fio pode continuar através de rolos adicionais e outros mecanismos que podem achatar, enrolar ou extrudir o metal em sua forma final.

Máquinas de fundição para alumínio e cobre

Alumínio e cobre podem ser fundidos horizontalmente e podem ser mais facilmente fundidos em forma quase líquida , especialmente tiras, devido às suas temperaturas de fusão mais baixas.

Gama de seções lançadas continuamente

  • As máquinas de fundição são designadas como rodízios de tarugos , blocos ou placas .
  • Os rodízios de laje tendem a fundir seções que são muito mais largas do que grossas:
    • As lajes convencionais variam entre 100–1600 mm de largura por 180–250 mm de espessura e até 12 m de comprimento com velocidades de fundição convencionais de até 1,4 m / minuto; no entanto, as larguras das lajes e as velocidades de fundição estão aumentando atualmente.
    • Lajes mais largas estão disponíveis até 3250 × 150 mm
    • Lajes espessas estão disponíveis até 2.200 × 450 mm em uma instalação de aço específica, geralmente variando de 200 mm a 300 mm
    • Lajes finas (aço de baixo carbono): 1680 × 50 mm em uma instalação específica, geralmente variando de 40 mm a 110 mm de espessura, dependendo do projeto de uma máquina individual
  • Os rodízios bloom convencionais lançam seções acima de 200 × 200 mm. O comprimento da floração pode variar de 4 a 10 m
  • Os rodízios de tarugo fundem seções menores, como abaixo de 200 mm quadrados, com comprimentos de até 12 m. As velocidades de lançamento podem atingir até 4 m / minuto.
  • Rodadas: 500 mm ou 140 mm de diâmetro
  • Blocos de vigas convencionais: parecem semelhantes a vigas I em seção transversal; 1048 × 450 mm ou 438 × 381 mm no total
  • Brancos de feixe de formato quase líquido : 850 × 250 mm no geral
  • Tira: 2–5 mm de espessura por 760–1330 mm de largura

Startup e controle do processo

Iniciar uma máquina de lingotamento contínuo envolve a colocação de uma barra falsa (essencialmente uma viga de metal curva) através da câmara de pulverização para fechar a base do molde. O metal é despejado no molde e retirado com a barra falsa assim que se solidifica. É extremamente importante que o suprimento de metal posteriormente seja garantido para evitar paradas e reinicializações desnecessárias, conhecidas como 'paradas'. Cada vez que o lançador para e reinicia, um novo distribuidor é necessário, pois qualquer metal não fundido no distribuidor não pode ser drenado e, em vez disso, congela em uma 'caveira'. Para evitar paradas, é necessário que a fundição, incluindo fornos de panela (se houver), mantenha um controle rígido sobre a temperatura do metal, que pode variar dramaticamente com adições de liga, cobertura de escória e escória, e o pré-aquecimento da panela antes de aceitar o metal, entre outros parâmetros. No entanto, a taxa de fundição pode ser reduzida reduzindo a quantidade de metal no distribuidor (embora isso possa aumentar o desgaste no distribuidor), ou se o fundidor tiver vários fios, um ou mais fios podem ser desligados para acomodar atrasos a montante. As paradas podem ser programadas em uma sequência de produção se a temperatura do distribuidor ficar muito alta após um certo número de aquecimentos ou a vida útil de um componente não substituível (ou seja, o bocal de entrada submerso (SEN) em uma máquina de fundição de placas finas) é alcançado.

Muitas operações de fundição contínua são agora totalmente controladas por computador. Vários sensores eletromagnéticos, térmicos ou de radiação na cobertura da panela, coletor e molde detectam o nível ou peso do metal, a taxa de fluxo e a temperatura do metal quente, e o controlador lógico programável (PLC) pode definir a taxa de retirada do fio por meio do controle de velocidade dos rolos de retirada. O fluxo de metal nos moldes pode ser controlado por meio de três métodos:

  • Por hastes de bloqueio que descem pelo distribuidor,
  • Por portões deslizantes na parte superior das coberturas do molde,
  • Se o metal for vazado a céu aberto, o fluxo do metal nos moldes é controlado exclusivamente pelo diâmetro interno dos bicos de dosagem. Esses bicos são geralmente intercambiáveis.

A velocidade geral de fundição pode ser ajustada alterando a quantidade de metal no distribuidor, por meio da porta deslizante da panela. O PLC também pode definir a taxa de oscilação do molde e a taxa de alimentação do pó do molde, bem como o fluxo de água nos sprays de resfriamento dentro do filamento. O controle do computador também permite que dados vitais de fundição sejam transmitidos para outros centros de fabricação (particularmente os fornos de fabricação de aço), permitindo que suas taxas de trabalho sejam ajustadas para evitar 'transbordamento' ou 'subtração' do produto.

Problemas

Contaminação por oxigênio

Embora a grande quantidade de automação ajude a produzir peças fundidas sem encolhimento e pouca segregação, a fundição contínua não tem utilidade se o metal não estiver limpo de antemão ou ficar 'sujo' durante o processo de fundição. Um dos principais métodos pelos quais o metal quente pode ficar sujo é por oxidação, que ocorre rapidamente em temperaturas de metal fundido (até 1700 ° C para aço); inclusões de gás, escória ou ligas não dissolvidas também podem estar presentes. Para evitar a oxidação, o metal é isolado da atmosfera tanto quanto possível. Para isso, as superfícies de metal líquido expostas são cobertas - pelas coberturas ou, no caso da concha, distribuidor e molde, por escória sintética . No distribuidor, quaisquer inclusões menos densas que o metal líquido - bolhas de gás, outras escórias ou óxidos ou ligas não dissolvidas - também podem flutuar para a superfície e ficar presas na camada de escória. Enquanto o distribuidor e o molde são preenchidos pela primeira vez no início de uma execução de fundição, o líquido está muito contaminado com oxigênio e os primeiros itens produzidos são normalmente colocados em quarentena ou desviados para clientes que não precisam de material de alta qualidade.

Breakouts

Um grande problema que pode ocorrer no lingotamento contínuo é a quebra do metal líquido: por qualquer motivo, o invólucro sólido do fio se quebra e permite que o metal ainda fundido contido nele se espalhe e suja a máquina. Na maioria dos ambientes industriais, esse evento é muito caro, pois leva ao desligamento do fio e normalmente requer uma parada prolongada que envolve a remoção do material derramado de dentro do equipamento do fio e / ou substituição do maquinário danificado. O rompimento é geralmente devido ao fato de a parede da casca ser muito fina para suportar a coluna de líquido acima dela, uma condição que tem várias causas básicas frequentemente relacionadas ao gerenciamento de calor. O fluxo inadequado de água de resfriamento para o molde ou os sprays de resfriamento do filamento podem levar à remoção inadequada de calor do metal em solidificação, fazendo com que o revestimento sólido engrosse muito lentamente. Se a taxa de retirada do metal for muito rápida, a casca pode não ter tempo para solidificar até a espessura necessária, mesmo com sprays de resfriamento aprimorados. Da mesma forma, o metal líquido que entra pode estar muito quente e a solidificação final pode ocorrer mais abaixo no fio em um ponto mais tarde do que o esperado; se este ponto estiver abaixo dos rolos de endireitamento, a casca pode quebrar devido às tensões aplicadas durante o endireitamento. Uma ruptura também pode ocorrer como resultado de irregularidades físicas ou danos à casca ocorrendo dentro do molde durante os segundos iniciais de solidificação. A turbulência excessiva dentro do molde pode causar um padrão de casca irregular que cresce anormalmente ou pode aprisionar gotículas de escória dentro da casca, o que reduz a resistência da parede. Uma ocorrência comum é a concha grudar na superfície do molde e rasgar; moldes instrumentados modernos e sistemas de controle de computador normalmente detectam isso e reduzem a velocidade do rodízio temporariamente para permitir que a parede recongele e cicatrize enquanto ainda está apoiada no molde. Caso o rompimento ocorra próximo à saída do molde ou seja de gravidade inesperada, a casca ainda pode romper uma vez que emerge da parede do molde. Se o metal que entra estiver muito superaquecido, pode ser preferível parar o rodízio do que arriscar uma quebra. Além disso, a contaminação do metal por chumbo (causada por contrapesos ou baterias de chumbo-ácido na carga inicial de aço) pode formar uma película fina entre a parede do molde e o aço, inibindo a remoção de calor e o crescimento da casca e aumentando o risco de rompimentos.

Outras considerações

Outro problema que pode ocorrer é uma fervura de carbono - o oxigênio dissolvido no aço reage com o carbono também presente para gerar bolhas de monóxido de carbono . Como sugere o termo fervura , essa reação é extremamente rápida e violenta, gerando grandes quantidades de gás quente, e é especialmente perigosa se ocorrer em espaços confinados de uma máquina de fundição. O oxigênio pode ser removido "matando-o" por meio da adição de silício ou alumínio ao aço, que reage para formar óxido de silício (sílica) ou óxido de alumínio (alumina). No entanto, o excesso de alumina no aço obstruirá os bocais de fundição e fará com que o aço 'sufoque'.

A dinâmica de fluidos computacional e outras técnicas de fluxo de fluido estão sendo amplamente utilizadas no projeto de novas operações de fundição contínua, especialmente no distribuidor, para garantir que as inclusões e turbulências sejam removidas do metal quente, ainda garantindo que todo o metal alcance o molde antes dele esfria muito. Pequenos ajustes nas condições de fluxo dentro do distribuidor ou molde podem significar a diferença entre as taxas de rejeição altas e baixas do produto.

Barra inicial

A barra inicial, também chamada de barra falsa, tem uma parte da extremidade livre que é flexível para armazenamento e uma parte substancialmente rígida na extremidade que fecha o molde. A barra inicial é construída em blocos discretos presos a um lado de uma lombada plana fornecida em segmentos e dispostos de ponta a ponta. Espaçadores ajustáveis ​​na forma de blocos cônicos são dispostos entre os blocos da barra para permitir que a barra inicial seja autossustentada em uma configuração curva correspondente ao caminho de fundição. Uma espinha mais flexível na parte final da barra de arranque permite que a barra de arranque seja curvada para um raio mais estreito do que o caminho de fundição, enquanto os blocos se espalham em uma configuração sem suporte. Uma rampa de armazenamento é fornecida para apoiar a extremidade flexível na posição de armazenamento. Antes de uma fundição ser iniciada, as barras de arranque são alimentadas através do rodízio (na direção reversa da fundição) usando atuadores hidráulicos. Uma vez alimentado todo o caminho até o fundo do molde, o processo de embalagem do molde pode continuar para garantir um início suave.

Fundição direta

A fundição direta é um processo de fundição contínua para a produção de chapas metálicas diretamente do estado fundido, o que minimiza a necessidade de processamento secundário substancial. Para chapas de aço de baixo carbono, este é um processo relativamente novo que só obteve sucesso comercial na última década.

Fundição contínua de correia dupla

O lingotamento contínuo de correia dupla é um processo de lingotamento contínuo que produz barras de metal contínuas de alto volume ou tiras de seção transversal retangular constante. A fundição contínua de correia dupla emprega um molde móvel que consiste em correias paralelas de aço carbono mantidas sob tensão como superfícies de fundição superior e inferior. Cadeias de blocos retangulares de aço ou cobre movendo-se com as correias e espaçadas de acordo com a largura de fundição desejada formam as laterais do molde.

O metal fundido é introduzido na máquina de lingotamento contínuo de correia dupla a partir de um distribuidor através de um bico colocado entre as correias de fundição. O metal é resfriado por contato direto com as correias que, por sua vez, são resfriadas por recirculação de água de alta pressão. Vários revestimentos podem ser aplicados às superfícies de fundição da correia para fornecer as características de interface do molde necessárias e evitar a adesão.

O metal fundido da máquina de lingotamento contínuo de correia dupla é sincronizado e alimentado diretamente em um laminador a quente . A combinação das operações de fundição e laminação pode resultar em economia significativa de energia e custos em relação a outros processos de fundição que incorporam fundição intermediária e etapas de reaquecimento.

Metais fundidos em máquinas de fundição contínua de correia dupla: Cobre (Barra, Tira, Ânodo ), Alumínio (Tira), Zinco (Tira), Chumbo (Tira)

Taxas e velocidades de produção: As taxas de lingotamento contínuo de correia dupla variam até 60 toneladas por hora em velocidades de até 14 metros por minuto.

A fundição contínua de correia dupla é um processo de fundição quase final, o que reduz significativamente a necessidade de laminação secundária ou operações de conformação. Por exemplo, ao fundir a placa de ânodo de cobre, a placa fundida não é laminada, mas sim cortada diretamente em placas de ânodo distintas.

As correias de resfriamento são normalmente feitas de aço de baixo carbono e são mantidas sob tensão dentro da máquina de fundição para garantir planicidade e precisão. Conforme uma correia "fria" entra na região do molde, ela é aquecida na zona fundida e está sujeita a forças poderosas causadas pela expansão térmica . Ao lançar bandas largas, essas forças devem ser controladas para eliminar a flambagem e reduzir a distorção térmica da correia na entrada do molde. Essas forças podem ser controladas pelo pré-aquecimento das correias antes da entrada no molde ou pela estabilização magnética delas depois de entrarem no molde.

Pré-aquecimento da correia : Para fundição de faixa larga, um sistema de pré-aquecimento da correia pode ser usado para levar a correia até 150 ° C ou mais imediatamente antes de entrar no molde de fundição, reduzindo os efeitos do enquadramento a frio. Bobinas de aquecimento por indução podem ser usadas em toda a largura para pré-aquecer cada correia. Além de evitar distorção térmica, a alta temperatura de pré-aquecimento serve para eliminar qualquer umidade presente na superfície da correia.

Estabilização magnética: Ao fundir bandas largas, a tendência de distorção térmica localizada pode ser combatida pelo uso de rolos de suporte de correia magnética de alta resistência dentro da região do molde. A correia móvel é mantida contra os rolos de suporte por aletas rotativas magnetizadas que mantêm a correia em um plano plano.

Dentro da máquina de fundição contínua de correia dupla, o metal fundido solidifica progressivamente nas superfícies do molde à medida que se move através da região do molde, com um reservatório de metal fundido presente entre as superfícies externas de solidificação. Os revestimentos da correia, a textura e as modificações da camada de gás são usados ​​para ajustar a taxa de transferência de calor do metal fundido para a correia. A solidificação da espessura total pode ocorrer tão cedo quanto 30% do caminho através do molde para tiras finas, ou até 2 m além da saída do molde para barras grandes onde o resfriamento por spray de água e suporte de rolo são necessários.

Alimentação de piscina fechada: Ao fundir certos metais, como alumínio, um sistema de alimentação de metal de “injeção” de piscina totalmente fechada pode ser empregado. Aqui, o metal é introduzido sob leve pressão na cavidade fechada do molde. O fluxo de metal é controlado mantendo um nível predefinido no distribuidor. O bico de alimentação, ou bico, é normalmente feito de um material cerâmico que é termicamente estável e permeável aos gases que são liberados do metal que flui.

Alimentação em piscina aberta: Ao fundir outros metais, como cobre, zinco e chumbo, um sistema de alimentação em piscina aberta é freqüentemente usado. Nesse caso, a polia da correia superior é deslocada a jusante da polia inferior. O metal flui através de uma calha aberta ou tundish em uma poça permanente de metal fundido formado na convergência das correias. Gases de cobertura podem ser empregados para proteger contra a oxidação.

Afilamento do molde: A máquina de fundição de correia dupla difere de outras máquinas de fundição de molde móvel porque todas as quatro superfícies do molde são independentes. Isso permite que as superfícies do molde sejam afiladas para permanecer em contato com o produto fundido conforme ele encolhe. A água de resfriamento de alta velocidade, que é continuamente aplicada na parte de trás da correia, atinge a correia e cria uma força na correia. Essa força atua para pressionar a correia contra a superfície da tira ou placa conforme ela encolhe, mantendo a correia em contato próximo com o produto fundido em todo o molde. Cada lado do molde é formado por uma corrente sem fim de blocos de barragem, que são mantidos contra a tira fundida por guias ajustáveis ​​com mola.

Controle de nível de metal fundido: para acomodar altas velocidades de fundição e manter o nível da piscina o mais alto possível, indicadores de nível de metal eletromagnético sem contato podem ser usados ​​para detectar o nível da piscina na máquina de fundição.

Fundição de tiras de alumínio ou cobre: As máquinas comerciais de fundição contínua de tiras de correia dupla são capazes de produzir dimensões como fundido de 10–35 mm de espessura e até 2035 mm de largura. Depois de ser alimentado diretamente em um laminador a quente, a tira fundida é normalmente laminada até uma tira de espessura de 1–3 mm.

Fundição da barra de cobre: As dimensões da fundição variam de 35–75 mm de espessura e de 50-150 mm de largura. Depois de ser alimentado diretamente em um laminador a quente, a barra fundida é normalmente laminada em uma haste de 8 mm de diâmetro para ser usada na trefilagem.

Fundição de ânodo de cobre: Blocos de barragem especiais que contêm moldes de ânodo e um cisalhamento hidráulico móvel são adicionados à máquina de fundição de correia dupla para fundir continuamente ânodos de cobre em forma líquida. Largura do ânodo de aproximadamente 1 metro (excluindo saliências) e espessuras de 16 mm a 45 mm. A principal vantagem desse processo é a uniformidade do ânodo fundido em termos de tamanho e qualidade de superfície. Anodos fundidos usando este processo não requerem preparação adicional após a fundição.

Comprimento do molde : O comprimento do molde varia de aproximadamente 2.000 mm para máquinas de fundição de tiras e até 3.700 mm para máquinas de fundição de barra de cobre.

Referências

  • Oman Aluminium Rolling Company: Capturando tendências de crescimento para o alumínio e transformando Oman, Andrea Svendsen Company: Light Metal Age Issue: Vol. 70, No. 6 Resumo de 2013
  • Avanços modernos na produção de chapas de construção de alumínio fundido de rolo duplo, idade do metal leve, abril de 2008
  • Dr. –Ing. Catrin Kammer, Goslar, Fundição contínua de alumínio, pp 16-17, 1999, European Aluminium Association
  • Matthew J. King, Kathryn C. Sole, William GI Davenport, Extractive Metallurgy of Copper, pp 166, 239, 256-247, 404-408, Copyright 2011 Elsevier Science, Ltd.
  • Livro de referência do engenheiro mecânico, 12ª edição . Editado por EH Smith. Publicado pela Elsevier , Amsterdam, 1998.
  • T Frederick Walters, Fundamentos de Fabricação para Engenheiros . Taylor & Francis, Londres, 2001
  • Tamanhos de seção do site da Bluescope Steel e do site da AISI sobre fundição contínua

links externos