5. DISCUSSION
5.1. Methodological issues
5.1.4. Definitions and bias
A seguir serão apresentados os procedimentos experimentais utilizados.
3.1 - Composição Química
Considerando a influência dos elementos de liga no aço, a utilização de processamento termomecânico e a especificação de composição química da norma API, foram utilizadas para este trabalho duas composições químicas, apresentados na Tabela 3.1.
Tabela 3.1 – Composição química do aço definida pela Norma API[7] e especificada
do API-X70 e X80
Grau Elemento C (%) Mn (%) Cr (%) Nb+Ti+V (%) Ceq (%) Pcm (%)
X70 Norma API < 0,12 < 1,70 < 0,50 < 0,15 - < 0,25
Especificada 0,05 a 0,090 1,52 a 1,65 <0,40 < 0,12% < 0,40 < 0,20
Grau Elemento C (%) Mn (%) Cu+Ni+Cr (%) Nb+Ti (%) Ceq (%) Pcm (%)
X80 Norma API <0,12 < 1,85 < 2,0 <0,15 - < 0,25
Especificada 0,03 a 0,09 1,70% 1,57 a < 0,90 <0,13 < 0,48 <0,20
Foi considerada também a realização de adição de cálcio, visando a globulização de inclusão, principalmente a de MnS.
3.2 - Laminador de Tiras a Quente da Companhia ArcelorMittal Tubarão
O laminador de tiras a quente da Companhia ArcelorMittal Tubarão, construído pelo consórcio SMS – VAI, entrou em operação em Junho de 2002 e tem uma capacidade de produção anual de 2 milhões de toneladas de aço. As bobinas podem ser produzidas com espessuras entre 1,2 e 16 mm e largura de 700 a 1880 mm. O desenho esquemático do laminador de tiras a quente está apresentado na Figura 3.1 e os as características dos principais equipamentos, no Anexo A.
Figura 3.1 – Desenho Esquemático do Laminador de Tiras a Quente da ArcelorMittal Tubarão.
3.3 - Processo de Laminação
O processamento termomecânico controlado utilizado está de acordo com o processamento de aços microligados usualmente adotado em laminadores de tiras a quente. Foram utilizadas placas com espessura de 225 mm para a produção de bobinas laminadas à quente com espessuras a frio visadas de 11,9 e 12,7mm.
Reaquecimento das placas: A temperatura de desenfornamento visada das placas foi entre 1190 e 1250º C. Em função da temperatura de desenfornamento visada e das condições operacionais do laminador de tiras a quente, o modelo de controle do forno de reaquecimento definiu o tempo total e a curva de reaquecimento das placas.
Laminação de desbaste: A laminação de desbaste foi visada para ser realizada na região de recristalização da austenita, com temperatura superficial do esboço visada, no final de laminação, inferior a 1130ºC e deformação total na espessura de 82,2%. Foram realizados sete passes de laminação e a espessura visada do esboço será de 40 mm.
Sistema de resfriamento de esboço: Utilizado o sistema de resfriamento de esboço, entre a bobinadeira de esboço e a primeira cadeira do trem acabador, para garantir que a laminação de acabamento seja totalmente realizada na faixa de temperatura de não recristalização da austenita. A temperatura máxima visada na superfície do esboço deve ser inferior a 1000º C.
Laminação de acabamento: A laminação de acabamento foi objetivada para ser realizada entre as temperaturas Tnr e Ar3, visando promover o refino adicional do grão
pela deformação da austenita. Foram visadas temperaturas, na superfície da tira, no ultimo passe da laminação de acabamento entre 800 e 870ºC.
Resfriamento acelerado: Objetivando favorecer o refinamento dos grãos ferriticos e a formação de estruturas aciculares, foi adotada a estratégia de resfriamento “Rápido no Inicio”.
Temperatura de bobinamento: A temperatura de bobinamento visada no corpo da bobina foi inferior a 650ºC.
A influência dos parâmetros de laminação de tiras a quente (temperatura de fim de desbaste, taxa de deformação nas primeiras cadeiras do trem acabador, temperatura de acabamento e temperatura de bobinamento) na tenacidade do aço foi realizada pelos resultados obtidos nos testes de impacto Charpy e queda de peso em 128 bobinas produzidas com espessura de 12,7 mm, visando atender ao grau X70 da norma API. Em complemento a esta análise, foram selecionadas amostras de 5 bobinas para avaliação da propagação estável da trinca utilizando Integral J como método de análise.
Para confirmação da análise realizada, foram produzidas 9 bobinas com a mesma composição química, espessura de 11,9 mm e melhor configuração dos parâmetros de laminação a quente identificados para produção deste material e estes mesmos parâmetros de laminação foram utilizados para laminação a quente de 4 bobinas com espessura de 12,7 mm e alteração de composição química visando atender ao grau X80 da norma API.
3.4 - Ensaios Mecânicos
As propriedades mecânicas do material produzido nos experimentos foram levantadas,
conforme definido nas normas ASTM A370/2009[49], ASTM E1820/2008[48], ASTM
E208/2006[50] e API RP 5L3[51]. Os ensaios de tração, dureza e impacto Charpy, foram
realizados no Laboratório de Ensaios Mecânicos da ArcelorMittal Tubarão, os ensaios de impacto queda de peso (Drop Weight Tear Test) foram realizados no Laboratório das companhias Tenaris Confab e ArcelorMittal Bremen e os ensaios de Integral J, no Laboratório de Ensaios Mecânicos da Universidade Federal de Ouro Preto. As amostras foram retiradas na região do topo da bobina, a ¼ da largura.
3.4.1-Ensaio de Tração
Os ensaios de tração foram realizados na Máquina Universal de Ensaios modelo UH- F500kNI com capacidade de 500kN, fabricante Shimadzu. “Conforme especificado na norma API 5L, para tubos com diâmetro maior ou igual a 8 5/8”, os ensaios foram realizados na direção transversal à direção de laminação, com freqüência de 2 ensaios por corrida. No ensaio de tração foi determinada a tensão limite de escoamento (LE 0,5%), tensão limite de
resistência (LR) e alongamento total (Ap%). Adicionalmente foi calculada a razão elástica do material (RE). A Figura 3.2 apresenta as dimensões dos corpos de prova (CP) para os ensaios de tração.
Figura 3.2 – Dimensões dos CPs para ensaios de tração (em milimetros)
3.4.2 - Ensaio de Impacto Charpy
Os ensaios de impacto Charpy foram realizados na Máquina de Impacto modelo Amsler RKP 450, fabricante Zwich/Roell com capacidade de 450J, na temperatura de -5ºC. Foram realizados três ensaios de impacto por bobina ensaiada. A freqüência de ensaio foi de duas amostras por corrida e os valores de energia absorvida e o percentual de área dúctil (avaliação visual por comparação), foram informados como a média dos resultados dos três ensaios. A orientação do entalhe dos corpos de prova foi na direção de laminação, conforme pode ser observado na Figura 3.3.
Figura 3.3 – Dimensões dos corpos de provas para ensaio de impacto Charpy (em milimetros)
3.4.3-Ensaio de Impacto Queda de Peso-DWTT
O ensaio queda de peso é um ensaio de impacto que apresenta como vantagem, quando comparado ao ensaio de impacto Charpy, a possibilidade de utilização de corpo de prova na espessura do material a ser utilizado, enquanto que para o ensaio Charpy, o corpo de prova deve ter espessura máxima de 10mm. Os ensaios foram realizados na Máquina de queda de peso, confeccionado pela Tenaris Confab e pela ArcelorMittal Bremen, sendo as
mesmas construídas conforme especificado pela Norma API RP 5L3/1996[51]. O corpo de
prova utilizado apresenta dimensão indicada na Figura 3.4 com uso de entalhe prensado com ângulo de 45º. A orientação do entalhe dos corpos de prova foi na direção de laminação.
Figura 3.4 – Dimensões dos corpos de prova para ensaio de impacto queda de peso (em milimetros)
Visando agrupar os resultados obtidos nas 128 bobinas do API-X70 com 12,7mm, foram criados 4 grupos de resultados de área dúctil no ensaio de de impacto queda de peso, conforme indicado abaixo:
R30: bobinas com resultados de área dúctil < 50%;
R70: bobinas com resultados de área dúctil entre 50 e 84%; A90: bobinas com resultados de área dúctil entre 85 e 99%; A100: bobinas com resultados de área dúctil igual a 100%
3.4.4 - Curva de Transição – Ensaios de Impacto Charpy e Queda de Peso (DWTT)
Visando definir a temperatura ou a faixa de temperatura de transição dúctil-fragil, foi efetuado o levantamento da curva de transição dúctil-fragil com utilização do ensaio de impacto Charpy e de queda de peso.
3.4.5-Curvas de resistência à propagação estável de defeito (Curvas J-R)
Objetivando a avaliação da influência da microestrutura do material na propagação de trincas, foram efetuados ensaios em 5 amostras de cada bobina retirados no sentido transversal ao sentido de laminação. Os corpos de prova utilizados foram do tipo SE(B), que
foram preparados conforme indicados pela ASTM E1820/2008 (Figuras 3.5 e 3.6) [48].
Figura 3.6 - Fotos de um ensaio de tenacidade à fratura, (a) corpo de prova antes do ensaio; (b) corpo de prova durante o ensaio
Os ensaios foram realizado em temperatura ambiente. Para a confecção das pré-trincas e das curvas J-ɑ foram utilizados os parâmetros indicados na tabela 3.2.
Tabela 3.2 - Parâmetros para confecção de pré-trincas e das curvas J-ɑ
Etapa Parâmetro Configuração
Confecção da Pré-trinca
Carga máxima de fadiga 20 MPa
Razão entre as cargas Constante = 0,1
Frequência 30 Hz
Tamanho de trinca final 12,3mm
Obtenção das curvas J-ɑ
Deslocamento da linha de carga por ponto 0,2 mm
Taxa de deslocamento 0,5 mm/s
Rampa de carregamento / descarregamento 10 kgf/s
% descarregamento por ponto 10%
Intervalo de propagação de trincas 5 s
3.5 - ANÁLISE METALOGRÁFICA
A caracterização da microestrutura foi realizada por microscopia ótica e microscopia eletrônica de varredura no Laboratório de Ensaios Metalográficos da Companhia
ArcelorMittal Tubarão e no Laboratório de Ensaios Mecânicos da Universidade Federal de Ouro Preto. O tamanho de grão ferrítico foi medido pelo do método de contagem dos interceptos, com aumento de 500X e circunferência de 25 cm.
Os reagentes utilizados para ataque das amostras foram:
Nital 2%;
Le Pera modificado:
o 60% do reagente composto por 1g de metabissulfito de sódio diluído com
100ml de água destilada;
o 40% do reagente composto por 4g de ácido pícrico em 100 ml de álcool etílico.
3.6 - ANÁLISE FRATOGRÁFICA
A análise microfatográfica da superfície de fratura visa à caracterização do tipo de fratura e se possível o mecanismo da falha. Esta análise foi realizada na ArcelorMittal Tubarão e da Universidade Federal de Ouro Preto com a utilização de microscópio eletrônico de varredura (MEV).