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Geralmente para facilitar a transferência de calor, os cilindros são construídos de cobre, e refrigerados à água. Quando a condutividade térmica dos cilindros é alta, a tira pode ser resfriada rapidamente e a tira não se adere aos cilindros pelo fenômeno de molhamento. Como conseqüência a velocidade de laminação pode ser aumentada (HAGA et al., 2003b, HAGA; NISHIYAMA; SUZUKI, 2003d).

A transferência de calor entre a tira e os rolos diminui, quando se aumenta a espessura da tira ou se a velocidade diminui, e aumenta também com o fluxo da água de refrigeração interna dos cilindros (SPINELLI et al., 2000).

Li e Thomas (1996), estudaram em um laminador de cilindro único (single roll) modelo ARMCO® o processo de resfriamento do metal no cilindro, dividindo este por cinco zonas, de acordo com diferentes condições de transferência de calor na Figura 3.24. São eles: (I) zona de crescimento da camada de solidificação, (II) zona de resfriamento da tira, (III) zona de afastamento da tira, (IV) zona sem jateamento de água de refrigeração, (V) zona livre de contato com a tira.

Figura 3.24 Esquema do processo Single Roll modelo ARMCO com diferentes zonas de transferência de calor (LI; THOMAS, 1996). Vc velocidade do cilindro.

No primeiro contato entre o aço líquido e a superfície resfriada dos cilindros, o coeficiente de transferência de calor é extremamente elevado e a aderência com os cilindros é considerada muito forte (CARON et al., 1990, MARINGER, 1988). Com o decorrer do tempo, a camada de solidificação ganha resistência e o material solidificado se contrai termicamente, gerando uma área de considerável tensionamento. Em seguida a aderência entre a casca solidificada e o cilindro é rompida, formando um pequeno vazio (gap) entre as duas superfícies. Desse modo, como a camada solidificada continua grossa e curva, o aumento do vazio faz com que o coeficiente de transferência de calor diminuia à medida que a tira avança (LI; THOMAS, 1996).

Para tira solidifica na piscina na Zona I, a espessura da camada aumenta gradativamente até atingir a saída da piscina devido a diferentes coeficientes de transferência de calor (LI; THOMAS, 1996). A espessura da tira solidificada depende do tempo de contato do fundido como mostra a Figura 3.25. Quando o cilindro gira, ocorre à solidificação continua do fundido na interface metal/rolos, assim a espessura da tira aumenta com o tempo de contato e a taxa de resfriamento.

Figura 3.25. Influência do tempo de contato do fundido com a espessura da tira de acordo com o método STRIP1D (modelo de transferência de calor transiente) de Li e Thomas (1996) e os dados experimentais da ARMCO (Heat 840, 855, 848, 849) (BIRAT et al., 1991).

Na zona II, a tira exposta no ar ambiente, além de perder calor por condução para o cilindro pode ocorrer a troca de calor por convecção e radiação com a atmosfera. O cilindro é exposto à atmosfera na zona III e V, e a troca de calor ocorre por radiação e convecção. Para controlar a temperatura, um jateamento de água de refrigeração é feito na superfície interna do cilindro, exceto na zona IV onde a superfície interna do cilindro fica imersa em água, vide Figura 3.24.

A Figura 3.26 mostra o perfil de temperatura da superfície quente (interface tira/rolo) e fria dos cilindros (interface água/rolo). O fluxo de calor da superfície do cilindro é maior na Zona I devido ao maior gradiente térmico nesta região. Após a Zona I, a temperatura da face quente diminui continuamente devido as trocas térmicas com os cilindros.

Figura 3.26. Gráfico do coeficiente de transferência de calor do gap (vazio) e a temperatura dos rolos do processo por cilindro único (single roll) (LI; THOMAS, 1996).

No processo por cilindros duplos (twin roll), Koop et al. (1998) subdividiram em quatro áreas de troca de calor a superfície dos cilindros, para obter diferentes parâmetros condicional da solidificação como mostra a Figura 3.27. A área I apresenta um contato direto entre o fundido e os rolos. Nesta região, o fundido sofre um rápido super-resfriamento térmico na interface metal/rolos e as primeiras estruturas dendríticas se formam. Os gases superficiais que surgem nesta região são parcialmente dragados para pequenos vazios (gas-niche) nos rolos. É importante lembrar que o contato efetivo do fundido com a superfície dos rolos nesta

região dependem de parâmetros como a rugosidade superficial, fluidez e afinidade físico- química (molhamento).

A área II é caracterizada pelo crescimento de uma camada sólida entre o fundido e os rolos, formando uma barreira que diminui o contato térmico. Além disso, outros fatores como o aparecimento de nichos de gás, turbulência e a contração térmica podem alterar a transferência de calor.

A área III é uma região mista com a presença de sólido e líquido. É nesta região que as camadas de solidificação dendríticas se encontram (kiss point). Desse modo, à medida que a força de separação dos cilindros aumenta, a pressão entre a camada de solidificação e a superfície do rolo aumenta. Isto provoca a compressão dos vazios na interface metal/cilindros, e conseqüentemente o fluxo de calor aumenta.

Figura 3.27. (a) Esquema da solidificação do fundido entre os cilindros através das secções e (b) gráfico do coeficiente de transferência de calor nas áreas de I a IV (KOOP et al., 1998).

E finalmente o melhor contato térmico ocorre na área IV quando a tira encontra-se completamente solidificada entre os rolos. O aumento da força de separação dos cilindros e o afinamento da espessura da tira provocam um bom contato térmico nesta região.

Para a solidificação da tira, o calor do metal superaquecido é dissipado para os rolos nas quatro regiões descritas anteriormente. Considerando a velocidade dos rolos e a altura do

fundido durante o processamento, o tempo de contato é de aproximadamente 0,2 s, ou seja, o tempo que o calor é absorvido na superfície dos cilindros (KOOP et al., 1998)

.

Spinelli et al. (2000) estudaram três regiões de contato térmico: (a) uma região de bom contato entre metal líquido e rolos; (b) uma região pobre de contato, compreendendo a região onde tanto metal solidificado quanto metal líquido coexistem no interior da poça; e (c) uma região final de ótimo contato térmico sólido/sólido, devido à pressão exercida pelos rolos sobre a tira. Os autores determinaram a taxa de transferência de calor através de modelos numéricos, para simular as condições de solidificação do metal no interior da cavidade entre os rolos.

Na Tabela 3.5 se compara as condições de laminação do processo por cilindros duplos (twin roll) e o valor estimado do coeficiente de transmissão de calor metal/rolos (hi).

Tabela 3.5. Valores estimados para a transferência de calor na interface metal/rolos (hi) no

processo por cilindros duplos (twin roll caster) (SPINELLI et al., 2000)

Autores Rolos Largura (mm) Material fundido hi (W/m2K)

Li, (1995) Cobre - Aço 2800 – 5800

Li, (1995) Cobre - Alumínio 4000 – 47000

Bagshaw, (1987) Cobre 36,6 Al 2% Cu

Al 1% Cu

101 – 20000

Kraus, (1986) Aço 25 Aço 2830

A importância de se conhecer o comportamento térmico de solidificação entre o metal/molde, é que este, tem influência direta nos parâmetros estruturais tais como tamanho de grão e espaçamentos interdendríticos, impondo conseqüentemente, uma correlação conhecida entre a microestrutura resultante, e as propriedades mecânicas do produto obtido (SPINELLI et al., 2000, GARCIA, 2001).

3.13 Formação de macroestrutura em lingotes e durante a fabricação de