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7/05 keynote abm 2005 inclusions 1 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Controle de inclusões não-metálicas em aços Passado, presente e futuro André Luiz.

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

2 7/05 keynote abm 2005 inclusions 2 © 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

3 7/05 keynote abm 2005 inclusions 3 © 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?

4 7/05 keynote abm 2005 inclusions 4 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Inclusões não-metálicas

5 7/05 keynote abm 2005 inclusions 5 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Fe-O C porosidade e efervescência Al controle da porosidade e fragilidade Mn e Si

6 7/05 keynote abm 2005 inclusions 6 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Fe-S FeS  +Liq  +FeS  +Liq

7 7/05 keynote abm 2005 inclusions 7 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Sauveur, 1912

8 7/05 keynote abm 2005 inclusions 8 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Fe-P

9 7/05 keynote abm 2005 inclusions 9 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Fe-N

10 7/05 keynote abm 2005 inclusions 10 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva 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? Refratários Refusão!

11 7/05 keynote abm 2005 inclusions 11 © 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

12 7/05 keynote abm 2005 inclusions 12 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Inclusões não-metálicas

13 7/05 keynote abm 2005 inclusions 13 © 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

14 7/05 keynote abm 2005 inclusions 14 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Tamanho e forma Plasticidade Relativa Kiessling 1960 A plasticidade relativa e a conformação definem a forma e distribuição no produto.

15 7/05 keynote abm 2005 inclusions 15 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva “Tamanho” (  m) Tamanho e Fração Volumétrica “MnTiO” em soldas MnS aço “comum” Al 2 O 3 D&I Al 2 O AlN em  Nb(CN) ARBL Al 2 O 3 in-situ MnS AF1410

16 7/05 keynote abm 2005 inclusions 16 © 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 Microinclusões – Influenciam no comportamento do material (avaliado através de diferentes propriedades) Al 2 O 3 inclusions Onde ocorrem? Como localizar, como eliminar?!!

17 7/05 keynote abm 2005 inclusions 17 © 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

18 7/05 keynote abm 2005 inclusions 18 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Fratura Dúctil

19 7/05 keynote abm 2005 inclusions 19 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Fratura Dúctil- Anisotropia

20 7/05 keynote abm 2005 inclusions 20 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Fratura Dúctil- Anisotropia (Spitzig 1983)

21 7/05 keynote abm 2005 inclusions 21 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva 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

22 7/05 keynote abm 2005 inclusions 22 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Tenacidade vs % Frágil? E Charpy (J) % Frágil Aços “anos” 1960 anos 1970 anos 1980

23 7/05 keynote abm 2005 inclusions 23 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Efeito dos Sulfetos na Corrosão Ryan 2002 Alterar os sulfetos? Hydrogen cracking vs sulfetos

24 7/05 keynote abm 2005 inclusions 24 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Fadiga Murakami, 1986

25 7/05 keynote abm 2005 inclusions 25 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Engenharia de inclusões na fadiga

26 7/05 keynote abm 2005 inclusions 26 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Fadiga Trilhos heavy haul, Shur 2005

27 7/05 keynote abm 2005 inclusions 27 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Demanda sobre aços de alta qualidade

28 7/05 keynote abm 2005 inclusions 28 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Aços Planos

29 7/05 keynote abm 2005 inclusions 29 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Requisitos de Limpeza Product/ ApplicationPurityCleanlinessRemarks Deep drawing steel for car bodies C<20ppm N<30ppm O total <20 ppm  <100  m Tire cord  <20  m Low melting, highly formable No alumina Linepipe for sour service S<10ppm  <100  m Aluminates/ globular High S solubility? Engine valve springS<20ppm  <20  m Low melting, highly formable No alumina BearingsS<20ppmO total <10 ppm Al total <5 ppm Alumina

30 7/05 keynote abm 2005 inclusions 30 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Controle das Inclusões- Estratégias e Ações Fonte Exógenas Endógenas Quando se formam Primárias Secondárias Engenharia de Inclusões Controlar e Eliminar: -Refratários e escórias -Escoamento de Flúidos Zero Inclusion $ teel

31 7/05 keynote abm 2005 inclusions 31 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva t Inclusões primárias- controle e eliminação (Processo) Steel O i =600 ppm Al O Steel O f =6ppm Al add OiOi Al f OfOf “Flutuação” Reoxidação e Escória Limpidez

32 7/05 keynote abm 2005 inclusions 32 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Equilíbrios na Panela

33 7/05 keynote abm 2005 inclusions 33 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Estabilidade do refratário- Importante?

34 7/05 keynote abm 2005 inclusions 34 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Tratamento no RH %O %C 1atm 1mmHg Aim C f C conv. The Carbon Issue Converter RH- Degas.

35 7/05 keynote abm 2005 inclusions 35 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Efeito do tempo para eliminação de inclusões primárias

36 7/05 keynote abm 2005 inclusions 36 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Ou não? (CSN, COAÇO 2001)

37 7/05 keynote abm 2005 inclusions 37 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Injeção de gás ajuda? Quanto menor a bolha Mais efetiva! Bolhas pequenas não escapam do aço!

38 7/05 keynote abm 2005 inclusions 38 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Onde é possível ter bolhas pequenas? Submerged entry nozzle!

39 7/05 keynote abm 2005 inclusions 39 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Fontes de Inclusões no Lingotamento Contínuo

40 7/05 keynote abm 2005 inclusions 40 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Valve clogging in Continuous Casting CaS+Fe+Liq Fe+Liq A+CA6+Fe CA2+CA6+Fe CA2+E+Fe Data from Pellicani S=50ppm Al=0.04% T=1600 o C;

41 7/05 keynote abm 2005 inclusions 41 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Abertura da panela vs Limpidez

42 7/05 keynote abm 2005 inclusions 42 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Instabilidade no escoamento acelera a reoxidação Al+[FeO]=Al 2 O 3 +Fe

43 7/05 keynote abm 2005 inclusions 43 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Troca de panela vs Limpidez Importância do escoamento no disribuidor

44 7/05 keynote abm 2005 inclusions 44 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Estragando tudo no fim Velocidade de lingotamento. Caracterísiticas do fluxante. O tubo submerso.

45 7/05 keynote abm 2005 inclusions 45 © 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?

46 7/05 keynote abm 2005 inclusions 46 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva 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 adições Manipulação através de equilíbrio com escória

47 7/05 keynote abm 2005 inclusions 47 © 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

48 7/05 keynote abm 2005 inclusions 48 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva % life Número de ciclos Inclusions vs. Fatigue SAE Oshiro et al. 1989

49 7/05 keynote abm 2005 inclusions 49 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Como obter as inclusões “certas”?

50 7/05 keynote abm 2005 inclusions 50 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Ladle slag contol (AISI 9254) Effect of basicity at %Al 2 O 3 =5 Effect of %Al 2 O 3 at V=1.2

51 7/05 keynote abm 2005 inclusions 51 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Controle de Inclusões não-metálicas- Evitando Al 2 O 3 Aço C=0,8%, Mn=0.6%, Si=0,3% 50  m Effect of slag basicity %Al 2 O 3 =5 Effect of slag Al 2 O 3 content V=1.2

52 7/05 keynote abm 2005 inclusions 52 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Como varia a plasticidade?

53 7/05 keynote abm 2005 inclusions 53 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Al e O extra baixos- Fadiga Steel Slag Slag metal equilibrium- Slag is CaO, MgO, SiO 2, Al 2 O 3, mostly

54 7/05 keynote abm 2005 inclusions 54 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Fadiga – Zero inclusion steel

55 7/05 keynote abm 2005 inclusions 55 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Controle da Morfologia (sulfetos?) Corte fácil Isotropia etc.

56 7/05 keynote abm 2005 inclusions 56 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Inclusões para afetar  A experiência do metal de solda depositado –Alto O –Titânio forma óxidos favoráveis a nucleação Aplicação em lingotamento contínuo de tiras

57 7/05 keynote abm 2005 inclusions 57 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Como selecionar a inclusão?

58 7/05 keynote abm 2005 inclusions 58 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva 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 (  m) Sulfides (or carbonitrides) are nucleated on oxides Ferrite nucleates on these particles. (SiO 2 )(MnO) MnS Mn (SiO 2 )(MnO) MnS 

59 7/05 keynote abm 2005 inclusions 59 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva MnO-TiO 2 (continued from CALPHAD 2003)

60 7/05 keynote abm 2005 inclusions 60 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Mn-Ti-Al-Si-O in steel

61 7/05 keynote abm 2005 inclusions 61 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva 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 $?)

62 7/05 keynote abm 2005 inclusions 62 © 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!!

63 7/05 keynote abm 2005 inclusions 63 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Técnicas para caracterizar limpeza interna Metalografia quantitativa –Produto –Placa em posição especial (Hoogovens) Al t vs Al s e O t vs O s Dissolução (“Slime”) M.I.D.A.S. Partículas magnéticas em produto (produtos “finos”) Electron Beam Melting LIBS

64 7/05 keynote abm 2005 inclusions 64 © 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.

65 7/05 keynote abm 2005 inclusions 65 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva É possível prever qual a maior inclusão presente?

66 7/05 keynote abm 2005 inclusions 66 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Técnicas avaliadas USINOR- NSC

67 7/05 keynote abm 2005 inclusions 67 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Previsão e Medição do tamanho máximo

68 7/05 keynote abm 2005 inclusions 68 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Algumas técnicas

69 7/05 keynote abm 2005 inclusions 69 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Sumário da comparação NSC-Usinor $

70 7/05 keynote abm 2005 inclusions 70 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Medida e Caracterização Tendência a volume amostrado cada vez maior Necessidade de técnicas rápidas para avaliar estes grandes volumes –LIBS –OES –? Outras?

71 7/05 keynote abm 2005 inclusions 71 © 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.

72 7/05 keynote abm 2005 inclusions 72 © 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

73 7/05 keynote abm 2005 inclusions 73 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Microsegregation in C-Mn steel (ACS) Microstructure scale is input to calculations

74 7/05 keynote abm 2005 inclusions 74 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva MIDAS

75 7/05 keynote abm 2005 inclusions 75 © 2005 André Luiz V. da Costa e Silva Técnicas para “inclusões pequenas”


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