7/05 keynote abm 2005 inclusions 1 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Controle de inclusões...

1© 2005 André Luiz V. da Costa e Silva7/05 keynote abm 2005 inclusions

Controle de inclusões não-metálicas em açosPassado, presente e futuro

André Luiz V. da Costa e Silva

IBQN e EEIMVR-UFF

Congresso Annual da ABM – 2005

Belo Horizonte, MG


Roteiro

• Introdução• O que são inclusões e quais seus efeitos?• Origens das inclusões não-metálicas• Ferramentas para controle• Evolução do controle e engenharia de inclusões• Quantificação e caracterização• Os desafios


Inclusões não-metálicas

• Partículas não-metálicas, no interior do metal, resultantes de reações que ocorrem durante o processo de elaboração e refino do aço.

• Quais reações?

• Como diferem de outras partículas de segunda fase?

• Qual efeito sobre o aço?



• Partículas não-metálicas, no interior do metal, resultantes Partículas não-metálicas, no interior do metal, resultantes de reações que ocorrem durante o processo de elaboração de reações que ocorrem durante o processo de elaboração e refino do aço.e refino do aço.

• Quais reações?– Redução da solubilidade de O, S e N associada a solidificação

– Eliminação e controle de O, S e N, principalmente


Fe-O

C porosidade e efervescência

Al controle da porosidade e fragilidade

Mn e Si


Fe-S

FeS

+Liq

+FeS

+Liq


Sauveur, 1912


Fe-P


Fe-N


Estratégias possíveis

Reduzir a quantidade do elemento presente: Quanto?

Até que a quantidade do elemento em solução seja inferior ao limite de solubilidade no Ferro.

Até que a quantidade total do elemento seja inferior ao limite de solubilidade no Ferro.

Onde estará a diferença entre o teor total e o teor em solução?

Refino primário? RefratáriosRefusão!


Inclusões Não-Metálicas- Classificação

Fonte

Exógenas

Endógenas

Quando se formamPrimárias

Secondárias

Composição

Sulfetos

Óxidos

Mistas

Controlar & Eliminar

Engenharia



• Partículas não-metálicas, no interior do metal, resultantes Partículas não-metálicas, no interior do metal, resultantes de reações que ocorrem durante o processo de elaboração de reações que ocorrem durante o processo de elaboração e refino do aço.e refino do aço.

• Quais reações?Quais reações?

• Como diferem de outras partículas de segunda fase?– Tamanho

– Fração volumétrica

– Tipo de interface


Tamanho e Fração Volumétrica

Precipitação a partir do líquido define forma, tamanho e distribuição no lingote ou placa


Tamanho e formaP

last

icid

ade

Rel

ativ

a

Kiessling 1960

A plasticidade relativa e a conformação definem a forma e distribuição no produto.


0,001

0,01

0,1

1

10

0,00001 0,0001 0,001 0,01 0,1

Fração volumétrica

Ta

ma

nh

o (

mic

ron

)“T

aman

ho

” (

m)

Tamanho e Fração Volumétrica

“MnTiO” emsoldas

MnS aço “comum”

Al2O3

D&IAl2O3 52100

AlN em

Nb(CN) ARBL

Al2 O

3

in-situ

MnS AF1410


Efeito sobre o aço- Macro vs. Microinclusões (Kiessling)

Macroinclusões – Conduzem à falha do material na fabricação ou início da aplicação

Microinclusões – Influenciam no comportamento do material (avaliado através de diferentes propriedades)

Al2O3 inclusions

Onde ocorrem? Como localizar, como eliminar?!!


Efeitos sobre o aço - Propriedades

• Fenômenos associados a fratura dúctil– Ductilidade, Alongamento, Redução de área, Tenacidade

– “Processabilidade”

• Resistência a Fadiga • Resistência a Corrosão

• Capacidade de receber polimento

• Anisotropia destas propriedades


Fratura Dúctil


Fratura Dúctil- Anisotropia


Fratura Dúctil- Anisotropia (Spitzig 1983)


Quantificando os efeitos na fratura dúctil

Nucleação de vazios é influenciada pelo tipo de partícula:AF1410 S=0.001%

Modelamento da fratura dúctil HY 100


Tenacidade vs % Frágil?

E Charpy (J) E Charpy (J)

E Charpy (J)% Frágil % Frágil

% Frágil

Aços “anos” 1960 anos 1970

anos 1980


Efeito dos Sulfetos na Corrosão Ryan 2002

Alterar os sulfetos?

Hydrogen cracking vs sulfetos


Fadiga

Murakami, 1986


Engenharia de inclusões na fadiga


Fadiga

Trilhos heavy haul, Shur 2005


Demanda sobre aços de alta qualidade


Aços Planos


Requisitos de Limpeza

Product/ Application

Purity Cleanliness Remarks

Deep drawing steel for car bodies

C<20ppmN<30ppm

Ototal<20 ppm<100m

Tire cord <20m Low melting, highly

formable

No alumina

Linepipe for sour service

S<10ppm <100m Aluminates/ globular

High S solubility?

Engine valve spring S<20ppm <20m Low melting, highly

formable

No alumina

Bearings S<20ppm Ototal<10 ppmAltotal<5 ppm

Alumina


Controle das Inclusões- Estratégias e Ações

Fonte

Exógenas

Endógenas

Quando se formamPrimárias

Secondárias

Engenharia de Inclusões

Controlar e Eliminar:-Refratários e escórias-Escoamento de Flúidos

Zero Inclusion $teel

31© 2005 André Luiz V. da Costa e Silva7/05 keynote abm 2005 inclusions t

Inclusões primárias- controle e eliminação (Processo)

Steel

Oi=600 ppm

Al

Al O

Steel

Of=6ppm

54

48

Aladd

Oi

Alf

Of

“Flutuação”

Reoxidação eEscória

Limpidez


Equilíbrios na Panela


Estabilidade do refratário- Importante?


Tratamento no RH

%O

%C

1atm

1mmHg

Aim Cf

Cconv.

The Carbon Issue

Converter

RH- Degas.


Efeito do tempo para eliminação de inclusões primárias


Tempo de flotação X quantidade, distribuição por tamanho das inclusões e teor de oxigênio total

142

46

2233

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

2 min. 5 min. 10 min. 15 min.Tempo de flotação

Inc

lus

õe

s /

2 c

m²

0

20

40

60

80

100

120

140

160

T[O

] (p

pm

)

maiores que 100 microns

entre 50 e 100 microns



Oxigênio total

Tempo de flotação X quantidade, distribuição por tamanho das inclusões e teor de oxigênio total

142

46

2233

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

2 min. 5 min. 10 min. 15 min.Tempo de flotação

Inc

lus

õe

s /

2 c

m²

0

20

40

60

80

100

120

140

160

T[O

] (p

pm

)

maiores que 100 microns




Oxigênio total

Ou não? (CSN, COAÇO 2001)


Injeção de gás ajuda?

Quanto menor a bolhaMais efetiva!

Bolhas pequenas não escapam do aço!


Onde é possível ter bolhas pequenas?

Submerged entry nozzle!


Fontes de Inclusões no Lingotamento Contínuo


Valve clogging in Continuous Casting

CaS+Fe+Liq

Fe+Liq

A+CA6+Fe

CA2+CA6+Fe

CA2+E+Fe

Data from PellicaniS=50ppm Al=0.04%T=1600 oC;


Abertura da panela vs Limpidez


Instabilidade no escoamento acelera a reoxidação

Al+[FeO]=Al2O3+Fe


Troca de panela vs Limpidez

Importância do escoamento no disribuidor


Estragando tudo no fim

•Velocidade de lingotamento.•Caracterísiticas do fluxante.•O tubo submerso.


Processo- Sumário

• Fluido-dinâmica (Panela, RH, Distribuidor, molde)• Controle dos refratários• Controle de reoxidação• Propriedades das escórias (tensão superficial, etc.)

• Como fazer pequenas bolhas?


Engenharia de Inclusões

Propriedade Desejada

Presença de óxidos limita “Zero Inclusion Steel”

Inclusões mais favoráveis (ou menos desfavoráveis)

Composição química desejada para o aço

Controle das adiçõesManipulação através de equilíbrio com escória


Aço para molas de válvulas

C (%) Si (%) Mn (%) Cr (%) V(%)AISI 6150 0.65 0.20 0.7 0.5 0.15AISI 9254 0.55 1.45 0.7 0.7 -

Stringent fatigue requirements

Absence of macro inclusionsHighly formable inclusions

Low melting point oxides


% li

feNúmero de ciclos

Inclusions vs. Fatigue

• SAE 9254 - Oshiro et al. 1989


Aço C(%) Si(%) Mn(%) S(%) Ni(%) Cr(%) Al(%) O

(ppm)

N

(ppm)

9254 0,56 1,47 0,71 0,009 0,02 0,71 0,002 18 60

9254V 0,56 1,47 0,71 0,009 0,02 0,71 0,001 19 66

9254K 0,56 1,46 0,70 0,008 0,02 0,71 0,033 7 43

Como obter as inclusões “certas”?


Ladle slag contol (AISI 9254)

Effect of basicity at %Al2O3=5 Effect of %Al2O3 at V=1.2


Controle de Inclusões não-metálicas- Evitando Al2O3

Aço C=0,8%, Mn=0.6%, Si=0,3%

50 m

Effect of slag basicity %Al2O3=5

Effect of slag Al2O3 content V=1.2


Como varia a plasticidade?


Al e O extra baixos- Fadiga

Steel

Slag

Slag metal equilibrium- Slag is CaO, MgO, SiO2, Al2O3, mostly

0

2

4

6

8

10

0 2 4 6 8 10

ppm Al e O (Analisado)

pp

m A

l e

O

(Cal

cula

do

)C1 Al

C2 Al

C3 Al

C1 O

C3 O

C2 O


Fadiga – Zero inclusion steel


Controle da Morfologia (sulfetos?)

Corte fácilIsotropiaetc.


Inclusões para afetar

• A experiência do metal de solda depositado– Alto O

– Titânio forma óxidos favoráveis a nucleação

• Aplicação em lingotamento contínuo de tiras


Como selecionar a inclusão?


Oxide Metallurgy- Phase transformation

How can the microstructure of steels subjected to very little hot working be controlled? (e.g. Strip-casting, Thin Slab casting...)?

Fine oxide dispersion (0.1-10m)

Sulfides (or carbonitrides) are nucleated on oxides

Ferrite nucleates on these particles.

(SiO2)(MnO)

(SiO2)(MnO)

MnS

Mn

(SiO2)(MnO)

MnS


MnO-TiO2 (continued from CALPHAD 2003)


Mn-Ti-Al-Si-O in steel


Modificação da composição química

• É possível “engenheirar” as inclusões que ficam• Quais as inclusões ideais

– Coeficiente de Expansão (tensões residuais)

– Plasticidade versus Temperatura

– Tensão superficial• Liquido (escória- inclusão)• Sólido (nucleação)

• Modelamento quantitativo do efeito

• Zero inclusion (limitado por $?)


O problema da caracterização

• O que estamos procurando?

• O “normal”, resultado de uma distribuição “típica”, responsáveis pelo efeito geral sobre as propriedades (ductilidade, alongamento, etc.(antigamente chamadas de microinclusões, por Kiessling)

• As “anomalias”, inclusões grandes, agrupamentos, origem potenciais de defeitos(antigamente chamadas de macroinclusões, por Kiessling)

• Em um mundo onde 10 em 1.000.000 de latas rejeitadas é o limite, o que procurar?

• AMBOS!!


Técnicas para caracterizar limpeza interna

• Metalografia quantitativa– Produto

– Placa em posição especial (Hoogovens)

• Alt vs Als e Ot vs Os

• Dissolução (“Slime”)• M.I.D.A.S.• Partículas magnéticas em produto (produtos “finos”)• Electron Beam Melting• LIBS


Alguns problemas do aço limpo

Qual é um volume representativo?

-Para ensaios.-Para caracterizar a população inclusionária.


É possível prever qual a maior inclusão presente?


Técnicas avaliadas USINOR- NSC


Previsão e Medição do tamanho máximo


Algumas técnicas


Sumário da comparação NSC-Usinor

$


Medida e Caracterização

• Tendência a volume amostrado cada vez maior

• Necessidade de técnicas rápidas para avaliar estes grandes volumes– LIBS

– OES

– ?

• Outras?


O Futuro- Desafios

• Para muitas aplicações importantes de aços, o limite tecnológico está associado a inclusões.

• É necessário conhecer melhor o efeito de cada tipo de inclusão sobre o desempenho/ características/ propriedades dos aços para saber qual a inclusão “mais favorável” em cada caso.

• Para progredir na engenharia de inclusões é necessário conhecer melhor:

– As características das interfaces inclusão-metal (líquido e sólido).– As transformações que as inclusões sofrem/ podem sofrer.– As propriedades físicas e mecânicas das inclusões.

• A caracterização da população inclusionária é um importante desafio.

• Aço Zero Inclusões ainda está distante para a maior parte das aplicações.


Agradecimentos

• ABM

• CNPq, FAPERJ, CAPES pelo apoio em vários projetos

• CSN, CST, V&M, Villares, CS Barra Mansa

• Colegas em diversos trabalhos: F Beneduce, RR Avillez


Microsegregation in C-Mn steel (ACS)

Microstructure scale is input to calculations


MIDAS


Técnicas para “inclusões pequenas”

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