Análise da fluência e previsão de vida útil dos aços ASTM A387, ASTM A516 e DIN

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PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

ANÁLISE DA FLUÊNCIA E PREVISÃO DE VIDA ÚTIL DOS AÇOS ASTM
A387, ASTM A516 E DIN 16MO3 APLICADOS NA FABRICAÇÃO DE
CONVERSORES-LD

Autor: Rogério Geraldo Monteiro de Castro
Orientador: Prof. Dr. Antônio Luís Ribeiro Sabariz

SÃO JOÃO DEL-REI
2013
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA MECÂNICA

ROGÉRIO GERALDO MONTEIRO DE CASTRO

ANÁLISE DA FLUÊNCIA E PREVISÃO DE VIDA ÚTIL DOS AÇOS ASTM
A387, ASTM A516 E DIN 16MO3 APLICADOS NA FABRICAÇÃO DE
CONVERSORES-LD

Dissertação apresentada ao Curso de Mestrado da
Universidade Federal de São João del-Rei, como
parte integrante dos requisitos para a obtenção do
título de Mestre em Engenharia Mecânica.

Área de Concentração: Materiais e processos de
Fabricação

Orientador: Prof. Dr. Antônio Luís Ribeiro Sabariz

SÃO JOÃO DEL-REI
2013
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Ficha catalográfica elaborada pelo Setor de Processamento Técnico da Divisão de Biblioteca da UFSJ

Castro, Rogério Geraldo Monteiro de
C355a Análise da fluência e previsão de vida útil dos aços ASTM A387, ASTM A516 e DIN

16Mo3 aplicados na fabricação de conversores-LD[manuscrito] / Rogério Geraldo Monteiro
de Castro. – 2013.
167f . ; il.

Orientador: Antônio Luís Ribeiro Sabariz

Dissertação (mestrado) – Universidade Federal de São João del-Rei. Departamento de
Engenharia Mecânica.

Referências: f. 114-117.

1. Conversores – Teses. 2. Aço - Teses. 3. Fluência dos materiais - Teses. 4. Engenharia
Mecânica – Teses. I. Sabariz, Antônio Luís Ribeiro (orientador) II. Universidade Federal de São
João del- Rei. Departamento de Engenharia Mecânica. III. Título

CDU:
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DEDICATÓRIA
À minha esposa, Jacqueline que, com seu amor e dedicação, está sempre ao
meu lado. Sem ela, nenhum sonho valeria à pena.
Às minhas filhas, Aline e Luíza, que enchem minha vida de alegria.
Aos meus pais, Raimundo e Hilda, e às minhas irmãs, Fernanda e Juliana, que
sempre me apóiam, estimulam e compartilham do sentimento de ver os resultados
alcançados.
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AGRADECIMENTOS
A Deus, que me guia e me dá força.
Ao meu orientador, Prof. Dr. Antônio Sabariz, pelo incentivo durante todo o
curso, pela preciosa orientação, pelo respeito e apoio, e por acreditar nesse projeto.
Aos meus amigos: Saulo Uainer, Eduardo Abrantes, Emílio Moreira, José Júlio,
Ricardo Soares, Alexandre Dornelas, Igor Eliazar, Alexandre Marcossi, Marlon Rosa,
Gustavo Tasca, Paulo Sérgio, Edinei Souza, Francisco Margotti e Lucas Carvalho,
que de muitas formas incentivaram-me e ajudaram-me na elaboração deste trabalho.
A todos os professores do programa de mestrado.
À Fundação de Amparo à Pesquisa do estado de Minas Gerais – FAPEMIG,
pelo apoio concedido na forma de auxílio financeiro à pesquisa, na aquisição da
máquina de ensaios de fluência.
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Epígrafe

"Tudo é do Pai, toda honra e toda glória. É Dele
a vitória alcançada em minha vida."
Frederico Cruz
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RESUMO
A fluência é um dos principais mecanismos que limitam a vida útil dos conversores-
LD. O objetivo principal deste trabalho é analisar a deformação por fluência dos aços
ASTM A387 GR.22 CL.2, ASTM A516 GR.70 e DIN 16Mo3 aplicados na fabricação
do casco desses equipamentos e, dessa forma, fazer a previsão de vida útil. Os
conversores-LD são utilizados na produção de aço líquido e estão submetidos às
tensões e aos ciclos térmicos e mecânicos inerentes ao processo de fabricação do
aço. Os corpos de prova dos experimentos foram extraídos de chapas desses três
respectivos materiais. Fez-se a análise de tensões e temperatura por simulação
numérica no software ANSYS 5.4 para determinação dos parâmetros a utilizar nos
ensaios de fluência. Foi projetada e construída uma máquina de fluência por
contrapeso para realização dos ensaios. A preparação dos corpos de prova e a
condução dos ensaios de fluência são regulamentadas pela norma ASTM E 139-06.
Foram feitos ensaios acelerados de fluência com extrapolação de dados através do
método de Larson-Miller. Com tensão e temperatura fixadas, foi possível medir as
taxas de deformação dos três materiais. As previsões das vidas foram feitas em
função das curvas de deformação de cada material no estágio secundário da
fluência, considerando faixas de deformações entre 1,0 e 1,5%, conforme aplicado
em projetos de conversores-LD. O aço ASTM A387 GR.22 CL.2 teve a menor taxa
de fluência, seguido pelo DIN 16Mo3 e o ASTM A516 GR.70, sendo que não houve
diferença significativa entre os dois últimos para a faixa de deformação entre 1,0 e
1,5%. Os três aços se mostraram adequados para a aplicação em conversores-LD,
podendo operar por 100.000 horas ou mais dentro das condições analisadas, sendo
que o ASTM A387 GR.22 CL.2 apresenta desempenho superior. O prolongamento
da vida útil de componentes críticos de plantas siderúrgicas pode representar
benefício financeiro se confrontado com os gastos para troca de componentes,
fabricação de nova planta ou ainda com os lucros cessantes mediante a produção
parada. Uma análise deve ser realizada considerando o tempo esperado de
operação da planta e os custos de fabricação dos conversores feitos de aços
carbono, aços C-Mo e aços 2,5Cr-1,0Mo. Na especificação do material para
fabricação de conversores, aços 2,5Cr-1,0Mo, como o ASTM A387 GR.22 CL.2,
devem ser considerados. Sua utilização pode ser viável economicamente.
Palavras-chave: Conversores-LD. Ensaio de fluência. Previsão de vida à fluência.
Parâmetro de Larson-Miller.
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ABSTRACT
The creep is one of the main mechanisms that limit the life cycle of LD-Converters.
The objective of this study is to analyze the creep deformation of steels ASTM A387
GR.22 CL.2, ASTM A516 GR.70 and DIN 16Mo3 applied to manufacturing vessel
shell of this equipments and thus, predict its useful life. The LD-Converters are used
in the production of liquid steel and are subjected to stresses and thermal and
mechanical cycles inherent in the steel manufacturing process. The specimens of the
tests were extracted from plates of those three respective materials. Stress and
thermal analysis were done by numerical simulation using the software ANSYS 5.4 to
determine the parameters to be used in the creep test. A creep machine by
counterweight was designed and built to do the tests. The preparation of the
specimens and the conduct of the creep analysis are regulated by ASTM E 139-06.
Accelerated creep tests were done considering data extrapolation by the Larson-
Miller method. With fixed stresses and temperature, it was possible to measure rates
deformation of the three materials. The life prediction were made according to the
deformation curves of each material in the secondary stage of creep deformation
considering ranges between 1.0 and 1.5% as applied to the design of the LD-
converters. The ASTM A387 GR.22 CL.2 showed the lowest creep rate, followed by
DIN 16Mo3 and ASTM A516 GR.70, with no significant difference between the last
two ones for the strain range between 1.0 and 1, 5%. The three steels were suitable
for application in LD-converters and they can operate for 100,000 hours or more
within the conditions analyzed, and the ASTM A387 GR.22 CL.2 outperforms them.
When compared to the costs of components change, the construction of a new plant,
or yet to the loss of profit due to due to production stand still, the useful extension of
critical components may represent financial benefit. An analysis should be carried out
considering the expected life time of plant and manufacturing costs of the converters
made out carbon steels, C-Mo steels and the 2,5Cr-1,0Mo steels. In specifying the
material for manufacturing converters, 2,5Cr-1,0Mo steel such as ASTM A387 GR.22
CL.2 must be considered. Its use can be economically viable.
Keywords: LD-Converters. Creep test. Creep life prediction. Larson-Miller Parameter
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LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 - Fabricação do aço por processo LD. ..................................................... 18
Figura 1.2 - Vaso e anel de munhão de um conversor-LD.. ...................................... 20
Figura 1.3 - Vista em corte do conversor-LD. Vaso sem deformação. ...................... 21
Figura 1.4 - Vista em corte do conversor-LD. Vaso deformado................................. 21
Figura 2.1 - Processos simultâneos que determinam a curva de fluência. ............... 25
Figura 2.2 - Curva típica de fluência. ......................................................................... 26
Figura 2.3 - Efeito da tensão e da temperatura no comportamento à fluência. ......... 26
Figura 2.4 - Taxas de fluência. .................................................................................. 27
Figura 2.5 - Força de escalada sobre uma discordância. .......................................... 27
Figura 2.6 - Como a difusão leva à escalada de discordâncias. ............................... 29
Figura 2.7 - Como a sequência escalagem-escorregamento leva à fluência. ........... 30
Figura 2.8 - Fluência viscosa linear. .......................................................................... 35
Figura 2.9 - Crescimento de poros em contornos de grãos por difusão. ................... 35
Figura.2.10.-.Mecanismos de deformação sob diferentes tensões e
temperaturas. ................................................................................................. 39
Figura 2.11 - Mecanismos de deformação sob diferentes taxas de deformação e
tensões. .......................................................................................................... 39
Figura 2.12 - Forma de vazio no contorno de grão. .................................................. 44
Figura 2.13 - Resultado de ruptura por fluência a várias tensões. ............................ 48
Figura 3.1 - Representação da máquina para ensaio de fluência. ............................ 55
Figura 3.2 - Arranjo geral da máquina de fluência. .................................................... 57
Figura 3.3 - Máquina de fluência. Vista lateral. ......................................................... 57
Figura 3.4 - Sistema de eixo cardan com juntas móveis para montagem do corpo
de prova. ........................................................................................................ 59
Figura 3.5 - Ajuste da folga para expansão do corpo de prova. ................................ 61
Figura 3.6 - Colchão de areia para montagem da máquina de fluência. ................... 62
Figura 3.7 - Furos no corpo de prova para inserção dos termopares. ....................... 65
Figura 3.8 - Montagem do termopar de inserção no furo fora da secção reduzida. .. 65
Figura 3.9 - Fixação dos termopares no corpo de prova. .......................................... 66
Figura 3.10 - Fixação dos termopares. ...................................................................... 66
Figura 3.11 - Montagem da célula de carga. ............................................................. 68
Figura 3.12 - Aplicação da carga. .............................................................................. 69