METALURGIA/ UFMG
Simulações Laboratoriais de Processos de Conformação Industriais
R. Barbosa
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais
Universidade Federal de Minas Gerais
email: [email protected]
Inovações para Desenvolvimento de Aços de Elevado Valor Agregado
62o Congresso Anual da ABM
23 de julho de 2007, Vitória- ES
O Tetraedro da Engenharia dos Materiais
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Desafios
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a) Como aumentar valor agregado de aços estruturais via desenvolvimento de produto em simulações laboratoriais ?
b) Qual é o custo estimado de experimentos em escala de laboratório, em escala piloto e em corridas industriais ?
c) Como transpor resultados de simulações laboratoriais para a realidade industrial?
Desafio 1: aumentar valor agregado
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• Aços largamente C-Mn;
• Aços com requisitos de – LE, LR, A%
– TTDF baixas
Solução universal:
Refino de grão de ferrita
No contexto de aços estruturais, é claro...
Como refinar ferrita via laminação?
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• Laminação controlada:– Clássica (chapas grossas)
• Ferrita ≈ 6 a 8 μm
– Com RXMD (tiras a quente e fio máquina)• Ferrita ≈ 3 a 6 μm
• Outras possibilidades ?
Tecnologia existente há décadas
O refino de grão na LC Convencional
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Refino de grão de ferrita via TMCP
20μm 5μm
Conventional rolling TMCPReproduzido da aula do professor Tomoyuki Yokata “Thermomechanical processing of steels” obtido no endereço http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2001/slides.html em 21/07/2007
Como refinar ferrita ainda mais ?
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A produção de grãos ultra-finos (UFG)
Reproduzido da aula do professor Tomoyuki Yokata “Thermomechanical processing of steels” obtido no endereço http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2001/slides.html em 21/07/2007
Como refinar ferrita ainda mais ?
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A produção de grãos ultra-finos (UFG)
20μm 5μm
Conventional rolling
TMCP
1μm
UFG
Reproduzido da aula do professor Tomoyuki Yokata “Thermomechanical processing of steels” obtido no endereço http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2001/slides.html em 21/07/2007
Advantages and technical problems involved in ultrafine grain steels
C.Ouchi:CAMP-ISIJ vol ,(1998), .
Advantage Technical problemIncrease of yield strength
Improvement of toughness
Increase of fatigue strength
Improvement of SPF property
Improvement of corrosion resistance
property
Improvement of grain boundary failure
resistance property
Increase of yield ratio
Decrease of uniform elongation
Properties of weld and HAZ
High temperature properties
Creation of ultrafine grain in heavy
section products
Reproduzido da aula do professor Tomoyuki Yokata “Thermomechanical processing of steels” obtido no endereço http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2001/slides.html em 21/07/2007
Reproduzido da aula do professor Nobuhiro Tsuji “Ultra fine-grained steel” obtido no endereço http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2001/slides.html em 21/07/2007
Como obter ferrita fina ?
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No laboratório...
Reproduzido da aula do professor Nobuhiro Tsuji “Ultra fine-grained steel” obtido no endereço http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2001/slides.html em 21/07/2007
Como obter ferrita fina ?
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No laboratório mas em processo que poderia ser utilizado em linha industrial?
Reproduzido da aula do professor Nobuhiro Tsuji “Ultra fine-grained steel” obtido no endereço http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2001/slides.html em 21/07/2007
Equipamento utilizado
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Experimentos muito simples e de baixo custo !!!
Reproduzido da aula do professor Nobuhiro Tsuji “Ultra fine-grained steel” obtido no endereço http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2001/slides.html em 21/07/2007
Detalhe importante, porém...
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Sofisticada capacidade de caracterização via TEM
Reproduzido da aula do professor Nobuhiro Tsuji “Ultra fine-grained steel” obtido no endereço http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2001/slides.html em 21/07/2007
Detalhe importante, porém...
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E via EBSD...ambos de acesso relativamente limitado no país !!!
Reproduzido da aula do professor Nobuhiro Tsuji “Ultra fine-grained steel” obtido no endereço http://www.msm.cam.ac.uk/phase-trans/2001/slides.html em 21/07/2007
Conclusão 1
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a) É possível propor alternativas de produção em massa para aços estruturais do tipo UFG com propriedades mecânicas muito superiores aos atuais;
b) Este desenvolvimento, pode ser inicialmente realizado em laboratório, onde o custo-benefício do experimento é bem menor que na escala piloto ou na escala industrial, mas...
c) Acesso a caracterização via TEM, EBSD e outras técnicas deveria ser mais generalizado e pode vir a restringir desenvolvimento nesta área.
Desafio 2: ... a baixo custo, se possível...
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• Corridas industriais;• Escala piloto;• Simulações laboratoriais;
– Torção,
– Compressão: Estado plano, compressão axial
• Simulações numéricas
Existem mais ou menos 4 ou mais possibilidades para desenvolvimento de novos produtos.
Listam-se abaixo algumas:
Custo estimado: corridas industriais
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Ressalvas importantes: 1) ordem de grandeza apenas, 2) estimativa de custo apenas
• Hipóteses:– Planta produzindo 4 x 106 ton/ano;
– Preço de venda médio = 400 $/ton;
– Custo da laminação a quente da ordem de 10% do preço do produto final;
• Custo de 1 dia de “experimentos” no laminador: ~ 400.000 $
Custo estimado: simulação laboratorial
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Ressalvas importantes: 1) ordem de grandeza apenas, 2) estimativa de custo apenas
• Hipóteses:– Custo de equipamento: 1 x 106 $;
– Depreciação de equipamento, 20% aa;
– Custo operacional = 2 x custo de amortização;
• Custo de 1 dia de “experimentos” no laboratório: ~ 1.000 $
Custo estimado: simulação numérica
20 METALURGIA/ UFMG
Ressalvas importantes: 1) ordem de grandeza apenas, 2) estimativa de custo apenas
• Hipóteses:– Custo de equipamento e licença de uso
de softwares específicos: 0,2 x 106 $;
– Depreciação de equipamento, 20% aa;
– Custo operacional = 2 x custo de amortização;
• Custo de 1 dia de “experimentos” numéricos: ~ 200 $
Conclusão 2
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a) Custo cresce em ordens de grandezas de 100 para 1.000 e para 100.000 caso se passe da simulação numérica para a de laboratório e desta para a corrida industrial;
b) As três técnicas são, às vezes, necessárias;
c) Deve-se pois começar pela primeira, a simulação numérica, se o custo for um fator fundamental.
Desafio 3: ...do lab para a laminador...
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• Escala– Experimentos em escala de lab. são
simplificações da realidade e têm que ser assim;
• Gerência– Melhoria de processo versus estabilidade
de processo;
– Uma interface entre lab e laminador.
A passagem de resultados de laboratório ao laminador envolvem várias questões, dentre elas pelo menos as
abaixo listadas:
Desafio 3: ...do lab para a laminador...
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Escala: o quê isto tem a ver...
Reproduzido da aula do professor C. M. Sellars “Metallurgical Modelling of Thermomechanical Processing” por ocasião da “50th Hatfield Memorial Lecture”. Dados obtidos no endereço http://immpetus.shef.ac.uk/imm/publicity/tmc.pdf em 21/07/2007
Desafio 3: ...do lab para a laminador...
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Escala: ...com isto ?
Dados obtidos no endereço http://immpetus.shef.ac.uk/imm/publicity/tmc.pdf em 21/07/2007
Desafio 3: ...do lab para a laminador...
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Gerência: estabilidade de processo...
Reproduzido da aula do professor C. M. Sellars “Metallurgical Modelling of Thermomechanical Processing” por ocasião da “50th Hatfield Memorial Lecture”. Dados obtidos no endereço http://immpetus.shef.ac.uk/imm/publicity/tmc.pdf em 21/07/2007
Desafio 3: ...do lab para a laminador...
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Gerência: interface entre lab e laminador
Dados obtidos no endereço http://immpetus.shef.ac.uk/imm em 21/07/2007
Conclusão 3
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a) Transposição de resultados do lab para laminador demandam ajustes de ordem técnica e de ordem gerencial;
b) Os de ordem técnica, talvez o maior referente a escala, podem ser contornados em alguns aspectos mas são inerentes aos processos de simulação;
c) Os de ordem gerencial devem ainda ser desenvolvidos. Supondo, é claro, que o processo já se encontre estabilizado e melhorias tecnológicas possam ser introduzidas sem grandes problemas.
Encerramento
Muito obrigado pela atenção !!!
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