metalurgia/ ufmg simulações laboratoriais de processos de conformação industriais r. barbosa...

METALURGIA/ UFMG

Simulações Laboratoriais de Processos de Conformação Industriais

R. Barbosa

Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais

Universidade Federal de Minas Gerais

email: rbarbosa@demet.ufmg.br

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 ?

8 METALURGIA/ UFMG

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

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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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