Produção Avançada e Processamento de Aço para Blindagem: Proteção Leve Superior

No ambiente atual, há esforços acelerados para fornecer tecnologias de blindagem leve que possam derrotar projéteis perfurantes (AP) com pesos areais reduzidos. Embora muitos desses esforços envolvam a aplicação de metais de menor densidade, como alumínio e titânio, a seleção de ligas de aço continua competitiva para muitas aplicações balísticas e estruturais, devido à sua capacidade de fabricar componentes de blindagem em áreas operacionais comerciais e militares com equipamentos e pessoal disponíveis. Esta é uma grande vantagem das soluções em aço.

Propriedades do Aço para Blindagem

O aço é o material de blindagem de melhor desempenho geral, apesar de sua alta densidade, devido a propriedades como tenacidade, pronta disponibilidade, baixo custo, fundibilidade e soldabilidade. Aços para blindagem não são aços comuns; eles possuem alta resistência combinada com dureza e tenacidade à fratura. São usados para proteger objetos contra danos de projéteis ou pressão durante o combate. Esses aços são geralmente usados na forma de chapa laminada a quente, normalmente na fabricação de veículos blindados.

As principais propriedades do aço para blindagem, como tenacidade, dureza, boa resistência à fadiga, facilidade de fabricação e união, e custo relativamente baixo, tornam o aço um material popular para veículos blindados. O requisito importante deste aço é que ele deve manter a integridade estrutural mesmo em temperaturas abaixo de zero quando impactado por projéteis de artilharia supercalibrados. Portanto, este aço deve ter resistência ao impacto em baixa temperatura. Outras considerações importantes para chapas de aço para blindagem são que elas devem ser adequadas a técnicas modernas de fabricação e construção e serem prontamente soldáveis e capazes de ser produzidas em uma variedade de formas.

Composição Química e Tratamento Térmico

É bem conhecido que a composição química, a temperatura de austenitização e revenimento, e o tamanho de grão do aço afetam suas propriedades mecânicas e, portanto, seu desempenho balístico. Também foi estabelecido que as propriedades mecânicas e o desempenho balístico de aços martensíticos podem ser otimizados controlando a composição química e os parâmetros de tratamento térmico.

O aço para blindagem é basicamente um aço estrutural de alta resistência e baixa liga que foi tratado para ter propriedade de resistência muito alta à penetração. Essa propriedade é geralmente conferida ao aço pelo tratamento térmico, usualmente pelo tratamento termomecânico. É bem conhecido que a resistência à penetração do aço pode ser melhorada aumentando sua intensidade de textura, que pode ser obtida por tratamento termomecânico. A eficácia de massa da blindagem aumenta com a dureza do material. No entanto, blindagens muito duras tendem a ser quebradiças e a se estilhaçar quando atingidas.

Os principais elementos de liga do aço para blindagem são níquel (Ni), cromo (Cr) e molibdênio (Mo). Os teores de fósforo (P) e enxofre (S) deste aço devem ser muito baixos (preferencialmente menos de 0,015% de cada elemento). Também deve haver valor muito baixo de gases dissolvidos como nitrogênio (N2), oxigênio (O2) e hidrogênio (H2) neste aço. Além disso, o aço deve ser muito limpo, com nível muito baixo de inclusões. Também deve ser livre de segregação.

Classificação de Aços para Blindagem

O aço para blindagem pode ser classificado em quatro grupos principais:

1. Blindagem homogênea laminada (RHA - Rolled Homogeneous Armour);
2. Blindagem de alta dureza (HHA - High Hardness Armour);
3. Blindagem de dureza variável (DHA - Dual Hardness Armour);
4. Blindagem perfurada.

Desses quatro tipos, os aços RHA são geralmente considerados como material de referência. O aço RHA tem sido considerado a blindagem convencional para veículos blindados leves. É um aço de liga de alta qualidade que é laminado antes de ser tratado termicamente para lhe dar uma combinação ótima de resistência e tenacidade.

O aço de blindagem homogênea laminada (RHA) permaneceu a blindagem padrão mundial na maioria dos tanques. Seu baixo custo, confiabilidade, disponibilidade de infraestrutura de produção, utilidade concorrente como material estrutural e facilidade de fabricação permitiram que este aço mantivesse sua posição principal. Este aço de blindagem continua a ser usado na microestrutura martensítica revenida após tratamento térmico que envolve têmpera para aumentar sua resistência à penetração por projéteis e depois revenimento para torná-lo mais tenaz e, portanto, aumentar a capacidade de absorção de energia contra projéteis impactantes.

A especificação HHA permite que tecnologias modernas de processamento contínuo sejam usadas eficientemente e oferece uma nova classe de aços de alta dureza auto-revenidos. A blindagem de dureza variável também é conhecida como blindagem de dureza dupla (DHA), produzida por soldagem por rolamento de uma chapa frontal de alta dureza a uma chapa traseira de menor dureza. Os aços DHA soldados por rolamento são complexos de produzir e têm limitações de produção conhecidas. Estudos foram feitos para produzir aços DHA por processos de refusão a escória eletroescória, mas a produção de aços DHA continua difícil.

Há vários esforços sendo feitos para desenvolver aços de blindagem mono-líticos de ultra-alta dureza (UHHA) com dureza de 600 HBN (número de dureza Brinell) ou maior, e avanços significativos na metalurgia do aço foram feitos nessa direção. A resistência balística melhorada do aço como função do aumento da dureza é bem estabelecida na comunidade balística. Espera-se que aços UHHA aumentem a derrota de projéteis AP, reduzam o peso da blindagem e eliminem as dificuldades de fabricação inerentes ao DHA.

Processo de Têmpera e Revenimento

Têmpera e revenimento, definidos como uma combinação de aquecimento e resfriamento de um metal ou liga, alteram a microestrutura do aço e melhoram a resistência, dureza e tenacidade dos materiais tratados. A taxa de resfriamento durante a têmpera do aço que está na faixa austenítica deve ser tal que resfrie o aço abaixo da temperatura Ms (início da formação de martensita). Após toda a microestrutura do aço ser convertida em martensita, faz-se o revenimento da martensita. Durante o processo de revenimento, a temperatura do aço é elevada a uma temperatura onde a estrutura martensítica do aço é revenida. No processo de têmpera e revenimento durante a laminação a quente da chapa, as temperaturas de laminação final e as taxas de têmpera e revenimento devem ser controladas para obter graus de qualidade ótimos de aço com baixo teor de liga. Os produtos resultantes de aço de baixa liga têmpera e revenido oferecem aos projetistas de veículos blindados vantagens de resistência-peso e propriedades resistentes ao desgaste que normalmente não estão disponíveis em aços convencionais.

Processo de Produção para Aços de Blindagem

A tecnologia usada na fabricação de chapa de blindagem precisa ser de natureza muito elevada, já que as demandas de aços de alta resistência e alta dureza ditam a necessidade de uma das rotas de processo mais rigorosas a ser utilizada para a produção da chapa de aço. A siderurgia primária do aço para blindagem pode ser realizada tanto no conversor a oxigênio básico (BOF) quanto no forno a arco elétrico (EAF).

Enquanto no conversor a oxigênio básico, principalmente ferro-gusa (ferro líquido de alto-forno) e sucata são usados como matérias-primas para a produção de aço, o forno a arco elétrico pode usar sucata, ferro reduzido direto e ferro-gusa com base em sua disponibilidade. A qualidade das matérias-primas usadas para a siderurgia primária deve ser controlada. No caso de uso de ferro-gusa durante a siderurgia, é desejável realizar dessulfuração, desfosforação e dessilicificação do ferro-gusa conforme a exigência do processo para garantir baixos níveis de enxofre, fósforo e silício no ferro-gusa. A remoção desses elementos do ferro-gusa auxilia a qualidade da formação de escória durante o processo de siderurgia a oxigênio básico. A sucata usada para a produção de aço deve ser limpa e de alta densidade. Além disso, a quantidade de elementos parasitas na sucata deve ser muito baixa.

Fabricação e Lingotamento do Aço para Blindagem

Após o aço líquido ter sido produzido no conversor a oxigênio básico ou no forno a arco elétrico, ele é tratado nas unidades de siderurgia secundária. Os objetivos da siderurgia secundária incluem: (i) homogeneização da composição química e temperatura do aço líquido na panela, (ii) desoxidação ou "killing", que significa remoção de oxigênio, (iii) ajuste de superaquecimento, que significa aquecimento ou resfriamento do aço líquido a uma temperatura adequada para seu lingotamento contínuo, (iv) adições de ferro-ligas e carbono com o propósito de fazer ajustes na química do aço líquido, (v) desgasificação a vácuo do aço para remoção de gases hidrogênio e nitrogênio, (vi) remoção de compostos não metálicos indesejáveis por flotação para a escória, e (vii) alteração da composição das impurezas remanescentes para melhorar a microestrutura do aço. A siderurgia secundária é necessária para atingir as propriedades mecânicas desejadas no aço após laminação.

Durante a produção de aços de qualidade para blindagem, um ou mais dos processos de siderurgia secundária normalmente usados incluem desgasificação a vácuo, forno de panela e desgasificação de panela, desgasificação a arco a vácuo e refusão a escória eletroescória. Durante os processos de siderurgia secundária, também são realizadas a agitação ou homogeneização do aço líquido junto com injeções de diferentes materiais na panela para homogeneização e refino do aço líquido. A siderurgia secundária também é necessária para o lingotamento contínuo suave do aço líquido nas máquinas de lingotamento contínuo, bem como para a produção de placas de qualidade saudável.

O lingotamento contínuo de aço é um processo pelo qual o aço líquido é solidificado em um produto semi-acabado de aço, nomeadamente placa (no caso de aço para blindagem), para sua posterior laminação no laminador. A operação de lingotamento contínuo converte o aço líquido de uma dada composição em um fio de placa de um dado tamanho através de um grupo de operações como operação do molde, zona de resfriamento por aspersão, operação de zona de endireitamento, etc. A espessura da placa fundida deve ser tal que um nível mínimo de redução ocorra durante a laminação da chapa.

Os principais equipamentos de uma máquina de lingotamento contínuo constituem: (i) torre de panela com sistema de pesagem e manipulador de tampa de panela, (ii) cadinho e carro de cadinho com sistema de pesagem, pré-aquecedor e secador de cadinho, (iii) molde e oscilação do molde com controle de nível do molde e agitador eletromagnético, (iv) resfriamento secundário consistindo de resfriamento do fio, contenção e guiamento do fio, (v) unidade de retirada e endireitamento, (vi) barra falsa, estacionamento e unidade de rolo de desconexão de barra falsa, (vii) rolo de pinça e unidade de corte por tocha, (viii) sistema de identificação do produto, e (ix) mesa de rolos e sistema de descarga do produto consistindo de leito de resfriamento, mesa de rolos e grade de descarga.

Para o lingotamento de aços de blindagem de baixa liga, o foco está na produção de aços limpos. Também há requisitos mais elevados para a microestrutura e homogeneização da composição do produto fundido. A composição química, as condições de solidificação e a natureza do fluxo de aço líquido no molde afetam a qualidade da superfície e a estrutura interna do produto fundido. A aplicação da técnica de agitação eletromagnética (EMS) promove a formação de uma zona cristalina equiaxial no fio. Causa o refinamento da estrutura de solidificação, a redução no teor de inclusões e a melhoria na qualidade da superfície, subsuperfície e estrutura interna da placa fundida.

As placas para aços de blindagem também podem ser produzidas seguindo a rota de refusão a escória eletroescória, fundição em lingotes largos e depois forjamento dos lingotes em placas. Como durante o lingotamento em lingotes, a segregação de carbono ocorre na direção da solidificação à medida que a solidificação do aço líquido prossegue, há necessidade do processo de refusão a escória eletroescória. No entanto, esta rota aumenta o custo de produção das placas. Esta rota de produção é principalmente adequada para baixas capacidades. Além disso, como as placas são produzidas pelo processo de forjamento, elas têm estrutura interna saudável.

Máquinas modernas de lingotamento contínuo de placas equipadas com todos os tipos de controles, desde a torre de panela até a descarga do produto fundido, normalmente produzem placas muito saudáveis, praticamente sem defeitos de superfície e subsuperfície. No entanto, devido à importância dos aços para blindagem, as placas após resfriamento são submetidas a inspeção visual, magnaflux e ultrassônica para identificação de possíveis defeitos de superfície, subsuperfície e internos. Os defeitos internos em placas fundidas continuamente podem ter forte efeito tanto no desempenho do aço durante o processamento termomecânico quanto nas propriedades mecânicas do produto final. Portanto, é importante identificar, quantificar e caracterizar os defeitos. A caracterização dos defeitos inclui densidade, distribuição, tipo e localização das anomalias.

A inspeção ajuda na segregação das placas fundidas em três categorias: (i) placas de primeira qualidade que podem ser enviadas para laminação, (ii) placas com defeitos de superfície menores que podem ser removidos seja por escarificação ou retificação para torná-las aptas para laminação, e (iii) placas com defeitos subsuperficiais e internos inaceitáveis, rejeitadas para laminação e sucateadas para refusão.

Laminação de Placas no Laminador de Chapas

As placas após inspeção são aquecidas em forno de reaquecimento a temperaturas em torno de 1150 °C a 1200 °C, adequadas para deformação plástica do aço e, portanto, para laminação do aço no laminador. O forno de reaquecimento do tipo viga caminhante é preferido, pois é energeticamente eficiente e garante aquecimento uniforme das placas. O forno de reaquecimento deve ter todas as instalações para recuperação de calor residual. Também deve ser equipado com controles de combustão necessários para o controle da temperatura da placa, bem como outros controles necessários para sua operação eficiente.

A placa aquecida é então laminada em um laminador de chapas. O laminador de chapas é normalmente um laminador reversível de quatro alturas com configuração de uma única gaiola ou com configuração de duas gaiolas. A gaiola de laminação normalmente tem rolos de borda anexados para controle da largura da chapa. Chapas são geralmente laminadas à espessura prescrita na gaiola de laminação reversível (ou seja, passando a chapa repetidamente para frente e para trás através da gaiola de rolos) enquanto se reduz progressivamente o espaço entre os rolos superior e inferior de forma escalonada, e geralmente requer várias passadas de laminação. A ação de passar uma chapa pelo espaço dos rolos é chamada de passada, e a quantidade de redução da espessura da chapa em cada passada é chamada de redução de laminação. A redução de espessura durante a laminação é distribuída em várias passadas de laminação. O processo pelo qual o número de passadas e a redução de laminação em cada passada, da espessura da placa à espessura do produto, são decididos é o programa de passadas de laminação. A temperatura de laminação final afeta o número de passadas necessárias devido às propriedades do material, onde o material mais frio fica mais duro.

No caso de produtos de espessura normal (ou seja, chapas planas), a mesma espessura é obtida ao longo de todo o comprimento controlando o laminador para que o espaço entre os rolos superior e inferior não mude durante uma passada de laminação.

As temperaturas de início e fim de laminação determinam a estabilidade do processo, onde material mais frio precisa de mais força de laminação do que o mais quente. Portanto, chapa fina que tem taxa de resfriamento mais alta do que chapa grossa pode tornar o processo de laminação instável, especialmente para chapa de baixa espessura onde a queda de temperatura é alta.

Gaiolas de laminação e sistemas de resfriamento de chapas, bem como todas as seções downstream do laminador, devem ser projetados de forma que chapas de alta resistência possam ser produzidas e processadas para obter produtos finais de alta qualidade.

O controle de fuso e controle automático de folga são as partes principais do laminador para ajustar o espaço dos rolos de acordo com a espessura definida. Cada um dos tamanhos de chapa tem seu próprio cálculo de programa de passadas, incluindo o espaço dos rolos apropriado, força de laminação e módulo do laminador.

Para a laminação de chapas finas, o laminador de chapas deve ser equipado com instalações para controle automático de forma, controle de planicidade e controle de espessura. A laminação de chapas finas geralmente precisa de duas gaiolas com a gaiola de acabamento dando a passada final. Também é necessário instrumento de medição de espessura online para medição de espessura.

A chapa laminada é submetida a nivelamento em nivelador a quente antes de entrar na seção de termoprocessamento e um nivelador a frio após a seção de termoprocessamento. Boa planicidade de uma chapa de aço é desejada, pois durante o processo de resfriamento, a planicidade influencia a distância para a água colidir com a chapa de aço e influencia o fluxo de água na chapa de aço. A função do nivelador a quente instalado antes do equipamento de resfriamento é aplainar a chapa de aço antes do resfriamento. Por outro lado, o nivelador a frio instalado após a seção de termoprocessamento destina-se a aplainar a chapa para retificar a forma deteriorada pelo resfriamento para fácil transferência ao processo subsequente.

Durante a laminação do aço para blindagem, a temperatura de laminação final é definida em um valor mais baixo do que no caso de chapas laminadas a quente convencionais. Isso significa que às vezes tempo de espera para ajuste de temperatura é necessário durante o processo de laminação, e o tempo de espera tende a se tornar maior com produtos mais grossos.

Seção de Termoprocessamento

A seção de termoprocessamento é muito importante na produção e processamento do aço para blindagem, pois as propriedades finais do aço são obtidas durante o processamento da chapa nesta seção. Para atender aos requisitos durante a produção de aços para blindagem, três abordagens são usadas.

Primeira Abordagem: Termoprocessamento Off-line

Na primeira abordagem, o termoprocessamento é realizado off-line do laminador de chapas. Nesta abordagem, a chapa é aquecida a uma temperatura desejada na faixa de austenitização. O controle de aquecimento é importante para evitar o crescimento de grão. Após a chapa atingir uma estrutura austenítica homogenizada, ela é temperada com água a uma taxa de resfriamento predeterminada para obter uma estrutura de aço martensítico. O aço temperado é então revenido a baixa temperatura para alcançar as propriedades desejadas.

Segunda Abordagem: Resfriamento Controlado Acelerado

Na segunda abordagem, o aço laminado imediatamente após a laminação é submetido a resfriamento controlado acelerado. Neste caso, a estrutura martensítica é evitada, e uma estrutura bainítica de grão muito fino é o objetivo. Nesta abordagem, dureza muito alta no aço não pode ser alcançada, mas o aço obtém alta resistência acoplada com boa tenacidade.

Terceira Abordagem: Têmpera e Revenimento On-line

Na terceira abordagem, as operações de têmpera e revenimento são realizadas on-line imediatamente após a laminação. Nesta abordagem, o aquecimento da chapa é eliminado, mas nesta abordagem, ou a taxa de laminação da chapa no laminador e os tempos de têmpera e revenimento devem coincidir, ou uma operação tem que esperar a outra ser concluída. Além disso, controles adequados com uso generoso de pirômetros devem ser fornecidos para o controle dos parâmetros de termoprocessamento. Além disso, a seção de termoprocessamento deve ser estreitamente vinculada às operações de laminação através de um sistema de controle para controle efetivo das propriedades das chapas de blindagem.

Resfriamento e Têmpera

Os rolos de pinça durante as operações de têmpera e revenimento têm a função de segurar a chapa de aço entre eles, promovendo resfriamento/aquecimento uniforme suprimindo a deformação da chapa durante resfriamento/aquecimento, melhorando a forma da chapa e assegurando zonas de resfriamento. No caso de têmpera de chapas de aço, a temperatura final de resfriamento e o tempo de resfriamento variam muito dependendo do tamanho e do material visado. Portanto, torna-se necessário ajustar o comprimento da zona de resfriamento do equipamento de resfriamento. Os rolos de pinça determinam o fluxo de água de resfriamento para downstream da zona de resfriamento, impedindo resfriamento não uniforme devido à água estagnada na chapa de aço fora da zona de resfriamento, separando assim a zona de resfriamento da zona não de resfriamento.

A unidade de têmpera a água precisa ser adequadamente projetada, pois é influenciada pela curva de ebulição da água. A capacidade de resfriamento da água no caso de resfriamento de uma chapa de aço a alta temperatura mostra um comportamento característico expresso pelo que é conhecido como curva de ebulição. Na região de alta temperatura, um filme de vapor de vapor existe entre a chapa de aço e a água, causando um estado denominado ebulição em filme e, apesar da alta temperatura na região, a capacidade de resfriamento torna-se ligeiramente menor. À medida que a temperatura da chapa de aço desce, o contato da água com a chapa de aço começa e, à medida que a temperatura da chapa de aço desce ainda mais, a área de contato da água com a chapa de aço se expande e o estado de resfriamento entra na região de ebulição de transição onde a capacidade de resfriamento aumenta. À medida que a temperatura da chapa desce ainda mais, o estado de resfriamento entra na região de ebulição nucleada, onde as bolhas geradas desempenham um papel principal. No resfriamento de chapas de aço, o resfriamento na região de ebulição de transição é crucial. Nesta região, como a capacidade de resfriamento aumenta junto com a diminuição da temperatura da chapa, a distribuição desigual de temperatura dentro de uma chapa de aço desenvolvida no resfriamento anterior é ampliada e a temperatura final de resfriamento também varia para cada chapa de aço.

A unidade de têmpera a água precisa ser adequadamente projetada, pois é influenciada pela curva de ebulição da água. As funções necessárias para a unidade de têmpera a água são amplas para ter capacidade de resfriamento rápido. Portanto, a unidade deve ser equipada com muitos bicos de aspersão, pois precisa de alta vazão de água para resfriamento rápido e uniforme da chapa larga. Também, sob as condições de operação e dependendo da qualidade visada da chapa de aço, a temperatura final de resfriamento (temperatura Mf) deve ser definida em algum lugar na região de ebulição de transição.

Inspeção Final e Expedição

Após a chapa ter sido submetida ao termoprocessamento necessário para alcançar as propriedades desejadas de resistência, dureza e tenacidade, a chapa de aço é endireitada novamente em um endireitador e, em seguida, as atividades de acabamento como cisalhamento e corte, corte de amostras, testes e inspeção e, se necessário, jateamento, revestimento e marcação são realizadas conforme o fluxograma. A chapa é submetida a inspeção final antes de seu despacho.

Durante os testes, todos os testes necessários conforme a norma devem ser conduzidos para garantir que as chapas estejam em conformidade com os valores especificados na norma em relação a dimensões, tolerâncias dimensionais, microestrutura, resistência, dureza e tenacidade. O laboratório do laminador deve ser equipado com todas as instalações de teste e inspeção necessárias para que os testes e inspeção necessários das chapas laminadas possam ser realizados.