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

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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

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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?

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Inclusões não-metálicas

• 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

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Fe-O

C porosidade e efervescência

Al controle da porosidade e fragilidade

Mn e Si

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Fe-S

FeS

+Liq

+FeS

+Liq

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Sauveur, 1912

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Fe-P

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Fe-N

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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!

11© 2005 André Luiz V. da Costa e Silva7/05 keynote abm 2005 inclusions

Inclusões Não-Metálicas- Classificação

Fonte

Exógenas

Endógenas

Quando se formamPrimárias

Secondárias

Composição

Sulfetos

Óxidos

Mistas

Controlar & Eliminar

Engenharia

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Inclusões não-metálicas

• 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

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Tamanho e Fração Volumétrica

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

14© 2005 André Luiz V. da Costa e Silva7/05 keynote abm 2005 inclusions

Tamanho e formaP

last

icid

ade

Rel

ativ

a

Kiessling 1960

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

15© 2005 André Luiz V. da Costa e Silva7/05 keynote abm 2005 inclusions

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

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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?!!

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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

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Fratura Dúctil

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Fratura Dúctil- Anisotropia

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Fratura Dúctil- Anisotropia (Spitzig 1983)

21© 2005 André Luiz V. da Costa e Silva7/05 keynote abm 2005 inclusions

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

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Tenacidade vs % Frágil?

E Charpy (J) E Charpy (J)

E Charpy (J)% Frágil % Frágil

% Frágil

Aços “anos” 1960 anos 1970

anos 1980

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Efeito dos Sulfetos na Corrosão Ryan 2002

Alterar os sulfetos?

Hydrogen cracking vs sulfetos

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Fadiga

Murakami, 1986

25© 2005 André Luiz V. da Costa e Silva7/05 keynote abm 2005 inclusions

Engenharia de inclusões na fadiga

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Fadiga

Trilhos heavy haul, Shur 2005

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Demanda sobre aços de alta qualidade

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Aços Planos

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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

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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

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Equilíbrios na Panela

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Estabilidade do refratário- Importante?

34© 2005 André Luiz V. da Costa e Silva7/05 keynote abm 2005 inclusions

Tratamento no RH

%O

%C

1atm

1mmHg

Aim Cf

Cconv.

The Carbon Issue

Converter

RH- Degas.

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Efeito do tempo para eliminação de inclusões primárias

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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

entre 20 e 50 microns

entre 10 e 20 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

entre 50 e 100 microns

entre 20 e 50 microns

entre 10 e 20 microns

Oxigênio total

Ou não? (CSN, COAÇO 2001)

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Injeção de gás ajuda?

Quanto menor a bolhaMais efetiva!

Bolhas pequenas não escapam do aço!

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Onde é possível ter bolhas pequenas?

Submerged entry nozzle!

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Fontes de Inclusões no Lingotamento Contínuo

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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;

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Abertura da panela vs Limpidez

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Instabilidade no escoamento acelera a reoxidação

Al+[FeO]=Al2O3+Fe

43© 2005 André Luiz V. da Costa e Silva7/05 keynote abm 2005 inclusions

Troca de panela vs Limpidez

Importância do escoamento no disribuidor

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Estragando tudo no fim

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

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Processo- Sumário

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

• Como fazer pequenas bolhas?

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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

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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

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% li

feNúmero de ciclos

Inclusions vs. Fatigue

• SAE 9254 - Oshiro et al. 1989

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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”?

50© 2005 André Luiz V. da Costa e Silva7/05 keynote abm 2005 inclusions

Ladle slag contol (AISI 9254)

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

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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

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Como varia a plasticidade?

53© 2005 André Luiz V. da Costa e Silva7/05 keynote abm 2005 inclusions

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

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Fadiga – Zero inclusion steel

55© 2005 André Luiz V. da Costa e Silva7/05 keynote abm 2005 inclusions

Controle da Morfologia (sulfetos?)

Corte fácilIsotropiaetc.

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Inclusões para afetar

• A experiência do metal de solda depositado– Alto O

– Titânio forma óxidos favoráveis a nucleação

• Aplicação em lingotamento contínuo de tiras

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Como selecionar a inclusão?

58© 2005 André Luiz V. da Costa e Silva7/05 keynote abm 2005 inclusions

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

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MnO-TiO2 (continued from CALPHAD 2003)

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Mn-Ti-Al-Si-O in steel

61© 2005 André Luiz V. da Costa e Silva7/05 keynote abm 2005 inclusions

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

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!!

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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

64© 2005 André Luiz V. da Costa e Silva7/05 keynote abm 2005 inclusions

Alguns problemas do aço limpo

Qual é um volume representativo?

-Para ensaios.-Para caracterizar a população inclusionária.

65© 2005 André Luiz V. da Costa e Silva7/05 keynote abm 2005 inclusions

É possível prever qual a maior inclusão presente?

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Técnicas avaliadas USINOR- NSC

67© 2005 André Luiz V. da Costa e Silva7/05 keynote abm 2005 inclusions

Previsão e Medição do tamanho máximo

68© 2005 André Luiz V. da Costa e Silva7/05 keynote abm 2005 inclusions

Algumas técnicas

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Sumário da comparação NSC-Usinor

$

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Medida e Caracterização

• Tendência a volume amostrado cada vez maior

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

– OES

– ?

• Outras?

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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.

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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

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Microsegregation in C-Mn steel (ACS)

Microstructure scale is input to calculations

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MIDAS

75© 2005 André Luiz V. da Costa e Silva7/05 keynote abm 2005 inclusions

Técnicas para “inclusões pequenas”