Controle de inclusões não-metálicas em aços Passado, presente e futuro

Controle de inclusões não-metálicas em aços Passado, presente e futuro
André Luiz V. da Costa e Silva IBQN e EEIMVR-UFF Congresso Annual da ABM – 2005 Belo Horizonte, MG 1 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

© 2005 André Luiz V. da Costa e Silva
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 2 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

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? 3 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Partículas não-metálicas, no interior do metal, resultantes de reações que ocorrem durante o processo de elaboração 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 4 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Estratégias possíveis
Até que a quantidade do elemento em solução seja inferior ao limite de solubilidade no Ferro. Reduzir a quantidade do elemento presente: Quanto? Onde estará a diferença entre o teor total e o teor em solução? Até que a quantidade total do elemento seja inferior ao limite de solubilidade no Ferro. Refino primário? Refratários Refusão! 10 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Inclusões Não-Metálicas- Classificação
Fonte Exógenas Endógenas Quando se formam Primárias Secondárias Composição Sulfetos Óxidos Mistas Controlar & Eliminar Engenharia 11 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

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? Tamanho Fração volumétrica Tipo de interface 12 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Tamanho e Fração Volumétrica
Precipitação a partir do líquido define forma, tamanho e distribuição no lingote ou placa 13 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Tamanho e Fração Volumétrica
“Tamanho” (mm) Al2O3 D&I MnS aço “comum” Al2O MnS AF1410 “MnTiO” em soldas Al2O3 in-situ AlN em g Nb(CN) ARBL 15 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Efeito sobre o aço- Macro vs. Microinclusões (Kiessling)
Macroinclusões – Conduzem à falha do material na fabricação ou início da aplicação Al2O3 inclusions Onde ocorrem? Como localizar, como eliminar?!! Microinclusões – Influenciam no comportamento do material (avaliado através de diferentes propriedades) 16 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

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 17 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Fratura Dúctil- Anisotropia
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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 21 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Efeito dos Sulfetos na Corrosão Ryan 2002
Alterar os sulfetos? Hydrogen cracking vs sulfetos 23 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Engenharia de inclusões na fadiga

Demanda sobre aços de alta qualidade

Requisitos de Limpeza Product/ Application Purity Cleanliness Remarks
Deep drawing steel for car bodies C<20ppm N<30ppm Ototal<20 ppm <100mm Tire cord <20mm Low melting, highly formable No alumina Linepipe for sour service S<10ppm Aluminates/ globular High S solubility? Engine valve spring S<20ppm Bearings Ototal<10 ppm Altotal<5 ppm Alumina 29 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Controle das Inclusões- Estratégias e Ações
Fonte Exógenas Endógenas Quando se formam Primárias Secondárias Controlar e Eliminar: -Refratários e escórias -Escoamento de Flúidos Engenharia de Inclusões Zero Inclusion $teel 30 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Inclusões primárias- controle e eliminação (Processo)
Aladd Oi Al 54 48 Steel Oi=600 ppm Alf Of Al O Steel Of=6ppm Limpidez t “Flutuação” Reoxidação e Escória 31 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Estabilidade do refratário- Importante?

Efeito do tempo para eliminação de inclusões primárias

Onde é possível ter bolhas pequenas?
Submerged entry nozzle! 38 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Fontes de Inclusões no Lingotamento Contínuo

Valve clogging in Continuous Casting
Data from Pellicani S=50ppm Al=0.04% T=1600 oC; CaS+Fe+Liq Fe+Liq CA2+E+Fe CA2+CA6+Fe A+CA6+Fe 40 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Abertura da panela vs Limpidez

Instabilidade no escoamento acelera a reoxidação
Al+[FeO]=Al2O3+Fe 42 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Troca de panela vs Limpidez
Importância do escoamento no disribuidor 43 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Processo- Sumário Fluido-dinâmica (Panela, RH, Distribuidor, molde) Controle dos refratários Controle de reoxidação Propriedades das escórias (tensão superficial, etc.) Como fazer pequenas bolhas? 45 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Engenharia de Inclusões
Propriedade Desejada Inclusões mais favoráveis (ou menos desfavoráveis) Composição química desejada para o aço Controle das adições Manipulação através de equilíbrio com escória Presença de óxidos limita “Zero Inclusion Steel” 46 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Aço para molas de válvulas
Stringent fatigue requirements Absence of macro inclusions Highly formable inclusions Low melting point oxides 47 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Como obter as inclusões “certas”?

Ladle slag contol (AISI 9254)
Effect of basicity at %Al2O3=5 Effect of %Al2O3 at V=1.2 50 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Controle de Inclusões não-metálicas- Evitando Al2O3
Effect of slag basicity %Al2O3=5 Effect of slag Al2O3 content V=1.2 50 mm Aço C=0,8%, Mn=0.6%, Si=0,3% 51 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Como varia a plasticidade?

Al e O extra baixos- Fadiga
Steel Slag Slag metal equilibrium- Slag is CaO, MgO, SiO2, Al2O3, mostly 53 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Fadiga – Zero inclusion steel

Controle da Morfologia (sulfetos?)
Corte fácil Isotropia etc. 55 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Inclusões para afetar ga
A experiência do metal de solda depositado Alto O Titânio forma óxidos favoráveis a nucleação Aplicação em lingotamento contínuo de tiras 56 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

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...)? (SiO2)(MnO) Fine oxide dispersion (0.1-10mm) Sulfides (or carbonitrides) are nucleated on oxides Ferrite nucleates on these particles. (SiO2)(MnO) MnS Mn (SiO2)(MnO) MnS a 58 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

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 $?) 61 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

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 de latas rejeitadas é o limite, o que procurar? AMBOS!! 62 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

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 63 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Alguns problemas do aço limpo
Qual é um volume representativo? -Para ensaios. -Para caracterizar a população inclusionária. 64 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

É possível prever qual a maior inclusão presente?

Técnicas avaliadas USINOR- NSC

Previsão e Medição do tamanho máximo

Medida e Caracterização
Tendência a volume amostrado cada vez maior Necessidade de técnicas rápidas para avaliar estes grandes volumes LIBS OES ? Outras? 70 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

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. 71 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

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 72 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Microsegregation in C-Mn steel (ACS)
Microstructure scale is input to calculations 73 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva

Técnicas para “inclusões pequenas”

Controle de inclusões não-metálicas em aços Passado, presente e futuro

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