ANÁLISE DO MECANISMO E DAS PRINCIPAIS CAUSAS DE OCORRÊNCIA DE TRINCAS LONGITUDINAIS EM PLACAS DE

LINGOTAMENTO CONTÍNUO.(1)

Cláudio Antônio Goulart Valadares(2)

Maria Carolina Campelo Bezerra(3)

RESUMO

A redução da ocorrência de defeitos superficiais em placas de lingotamento contínuo é um objetivo constantemente buscado, pois estes afetam diretamente o rendimento do processo e a possibilidade de economizar energia. Dentre os defeitos superficiais mais comuns tem-se a trinca longitudinal em placas. Muitos estudos já foram realizados para caracterização das principais causas e do mecanismo de formação deste defeito. Sua ocorrência está ligada à capacidade do aço em absorver deformações e também à quantidade de tensões termomecânicas aplicadas à placa durante o processo de lingotamento. É apresentada uma análise dos principais aspectos metalúrgicos da ocorrência de trincas longitudinais em placas de lingotamento contínuo ilustrando o efeito da composição química do aço e as estruturas metalográficas próximas ao defeito. Discute-se o efeito das principais variáveis de processo que afetam a sua formação. Revê as características e propriedades de fluxantes que afetam a sua ocorrência. É discutido um mecanismo de formação e propagação das trincas longitudinais. Palavras-chave: TRINCA LONGITUDINAL, DEFEITO SUPERFICIAL, LINGOTAMENTO CONTÍNUO.

(1) Contribuição técnica a ser apresentada no XXXIII SEMINÁRIO DE FUSÃO, REFINO E SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS, Maio de 2002, Santos/SP.

(2) M.Sc., CQE/ASQ, Eng. Metalurgista, Diretor Técnico de Produtos de Aciaria da Carboox Resende Quimica Ind Com Ltda.

(3) Engenheira de Produção, Gerente de Produto na Área de Desenvolvimento de Produtos de Aciaria da Carboox Resende Quimica Ind Com Ltda.

1. INTRODUÇÃO O processo de lingotamento contínuo se tornou a rota de produção em massa de aços no mundo. Os benefícios de alta produtividade, alto rendimento em aço, baixo custo e economia de energia que o processo proporciona em relação ao processo de lingotamento convencional, impulsionaram sua participação na produção de aço bruto para mais de 85% da produção mundial, sendo que no Brasil esta participação está acima de 90%. A cada dia novas tecnologias são incorporadas ao processo no sentido de aumentar ainda mais os seus benefícios. As técnicas de enfornamento a quente e laminação direta estão dentro dos objetivos de todas as usinas. Para alcançar tais objetivos é fundamental a redução da ocorrência de defeitos superficiais, especialmente a ocorrência de trincas. As trincas superficiais ocorrem devido à presença de tensões termomecânicas que são aplicadas ao veio durante o lingotamento, associado à capacidade do aço em suportar tais deformações. As tensões são geradas em condições normais de lingotamento pela contração do aço durante o resfriamento, pela fricção do veio com o molde e rolos da máquina, pela pressão ferrostática, pelo encurvamento e desencurvamento do veio. Existem também as tensões geradas por condições fora das condições padrão de lingotamento tais como a falta de lubrificação do fluxante, espessura de pele não uniforme, excesso de conicidade no molde, desalinhamento de rolos, espaçamento entre rolos não adequados, excesso e/ou falta de resfriamento no molde e no resfriamento secundário, dentre outros. O nível de tensões está ligado ao tipo de máquina de lingotamento contínuo, dimensões do veio lingotado e condições operacionais. A capacidade do aço em suportar tensões sem fraturar está associada a sua composição química, a história térmica a que ele foi submetido, a temperatura no momento da aplicação da tensão e a sua microestrutura. Dentre as trincas superficiais, a trinca longitudinal em placas tem grande importância porque, quando ocorrem, são normalmente defeitos grosseiros que exigem correção via escarfagem de placas, o que gera perda de tempo, rendimento e aumento do consumo de energia. O conhecimento das principais causas e a definição do mecanismo de ocorrência de trincas longitudinais em placas são passos fundamentais para que se ajuste bem os parâmetros do processo de lingotamento contínuo para cada tipo de aço e para cada aplicação do produto de modo a evitar a escarfagem ou outros processos intermediários que aumentam o “lead time”, aumentam o custo de processamento e reduzem o rendimento do aço. 2. ASPECTOS METALÚRGICOS DA OCORRÊNCIA DE TRINCA LONGITUDINAL A trinca longitudinal se propaga na face larga da placa na direção de lingotamento. Elas são mais freqüentes nos aços médio carbono (0,09 a 0,17%) e especialmente em placas mais largas(1-3) e mais finas. A presença de impurezas no aço, tais como o enxofre e o fósforo, também contribuem para maior incidência de trincas. O manganês age de modo contrário pela formação de MnS, atenuando o efeito do enxofre. As figuras 01 e 02 apresentam o efeito dessas variáveis. O comprimento da trinca longitudinal pode variar grandemente desde vários metros, estendendo ao longo de todo veio lingotado, até pequenas trincas de alguns milímetros. Isso depende das condições da máquina de lingotamento e das condições operacionais. Em geral, as trincas mais severas ocorrem dentro de uma depressão na superfície.

Figura 01 Influência das dimensões de placa, do C, Mn e S na ocorrência de trinca longitudinal.(4).

Figura 02- Efeito do teor de S na ocorrência de trincas longitudinais(2). (figura do trab. da NKK)

A tendência de alta ocorrência de trincas longitudinais nos aços peritéticos (0,09~0,17%) não está associada a uma baixa ductilidade a quente desses aços, conforme observou Suzuki e colaboradores(5). A explicação deve estar em outras razões como a variação volumétrica devido à transformação de fases imediatamente após a solidificação(4-6). O efeito do P e do S está ligado a segregação destes elementos que, por sua vez, é influenciado pelo teor de carbono (ver figuras 03 e 04). Observa-se que não há solução de continuidade na ductilidade a quente do aço na região peritética e que a presença de impurezas segregadas atuam no sentido de reduzir a temperaturas de sólidus, facilitando a nucleação de trincas entre os grãos.

Quanto maior a relação face larga/face estreita, maior será a ocorrência de trincas longitudinais.

Índi

ce d

e Pl

acas

sem

Def

eito

s (%

)

Seções (mm) Velocidade de Lingotamento Tonelagem ° 1829 x 180 1,05 m/min 323000 • 1820 x 230 0,85 m/min 123000 ∆ 1525 x 305 0,65 m/min 75000

Figura 03. Efeito do carbono nas temperaturas críticas de ductilidade em função da temperatura de

sólidus do aço(5)

Figura 04. Redução das temperaturas críticas de ductilidade pela presença de impurezas no aço(5)

A análise metalográfica (figura 5 e 6) da seção transversal da trinca longitudinal mostra que a trinca se propaga intergranularmente e que há presença de segregação de P, S, Mn e C (figura 7). Tem-se observado também uma região descarbonetada com presença de “subscale”. A estrutura metalográfica da região do defeito mostra a trinca se desenvolvendo entre os braços primários da dendrita e, mais para o interior da placa, ela se propaga ao redor dos grãos austeníticos. Estes fatos apontam para a formação de trincas em ambiente com temperatura alta e ambiente oxidante. Isso indica que as trincas longitudinais se formam nas regiões superiores da máquina, na região do molde.

Figura 05. Ataque metalográfico em seção transversal da trinca longitudinal(7)

Figura 06. Desenho esquemático dos vários aspectos metalográficos encontrados na região da

trinca longitudinal.(1)

Figura 07. Análise por micro-sonda na região da trinca longitudinal(7)

3. PRINCIPAIS VARIÁVEIS DE PROCESSO QUE AFETAM A OCORRÊNCIA DE TRINCAS LONGITUDINAIS Como a trinca longitudinal se forma no molde de lingotamento, todas as variáveis de processo que se relacionam com o molde, de um modo ou de outro, afetam a sua ocorrência. Dentre os fatos observados, o que mais tem sido divulgado com forte efeito sobre a ocorrência de trinca é a extração de calor no molde. A quantidade de trinca longitudinal é função do fluxo de calor no molde(1-9). Os valores críticos de fluxo de calor local, logo abaixo do menisco, são de 2,8x106 W/m2 para aços baixo carbono e de 1,7x106 W/m2 para aços médio carbono, conforme Nakajima e colaboradores7. Esses dados são mostrados na figura 8.

Índi

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5m

m

Aço Baixo Carbono Aço Médio Carbono

Transferência de Calor Crítica para aço médio carbono

Taxa de Transferência de Calor (kcal/m3/h)

Transferência de Calor Crítica para aço baixo carbono

Fluxo de Calor

Figura 08: Influência do fluxo de calor local, logo abaixo do menisco na ocorrência de trincas longitudinais maiores que 5mm.(7)

Figura 9 – Influência da taxa de transferência de calor na ocorrência de trincas

longitudinais (9)

É importante destacar também que o aumento da extração de calor global no molde afeta a ocorrência de trinca longitudinal. A figura 9 mostra a relação entre o fluxo de calor global nas faces largas do molde e o índice de trincas longitudinais(9-10). Seguindo este raciocínio, todas as variáveis de operação que afetam a extração de calor global e/ou localizada, irão de uma certa forma afetar a ocorrência de trinca longitudinal. Dessa forma, o aumento da velocidade de lingotamento e a elevação do superaquecimento do aço no distribuidor, contribuem para elevar a probabilidade de ocorrência de trinca longitudinal, pois aumentam o fluxo de calor global no molde, conforme as figuras 10 e 11.

Muitos trabalhos realizados para melhoria da qualidade superficial de placa reportam que a ocorrência da trinca longitudinal com a não uniformidade da extração de calor no molde(1-4,7,11), no sentido da largura da placa. Essa variável é medida pela colocação de termopares embutidos na placa de cobre que permite visualizar a distribuição de temperatura no molde. (figura 12). Miyashita e colaboradores(2) registraram uma observação que tem sido verificada pela maioria dos envolvidos com o lingotamento contínuo de que existe uma forte influência da variação do nível de aço no molde na ocorrência de trinca longitudinal (figura 13). Quanto maior a velocidade de variação do nível de aço no molde pior será a uniformidade de descida do fluxante fundido na interface placa/molde, resultando em crescimento de pele não uniforme, o que favorece a geração da trinca.

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sfer

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W/m

3 )

Velocidade de Lingotamento (m/min) Superaquecimento em oC

Tran

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W/m

3 )

Figura 10 – Influência da velocidade de lingotamento na taxa de transferência de calor

global do molde (11)

Figura 11 – Influência do superaquecimento do aço no distribuidor na taxa de

transferência de calor global do molde (11)

Os parâmetros de oscilação afetam diretamente a alimentação de fluxante fundido na interface placa/molde, pois afetam o consumo, conforme a figura 14. Dessa forma é importante considerar que quanto maior a freqüência de oscilação e quanto menor o curso de oscilação, maior a chance de variação na alimentação de fluxante fundido na interface placa/molde, o que aumenta a probabilidade de ocorrência de trinca longitudinal.

Figura 14 – Efeito dos parâmetros de oscilação no consumo de fluxante. (10)

A NSC, no início dos anos 80, realizou um extenso estudo para redução de defeitos em placas de lingotamento contínuo e realizou diversos testes industriais no sentido de esclarecer o mecanismo de formação de defeitos superficiais (1,3,4) . Em um desses testes foram propositalmente introduzidos no molde defeitos de diversas dimensões.(1,3,4,7) e observou-se que quando o menisco estava na região do defeito ocorria uma variação da temperatura da placa de cobre, era retardada a solidificação da pele no local e ocorria trinca longitudinal de diversas intensidades (figura 15, 16 e 17).

Variação de Temperatura (oC)

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l

Espessura de Escória (mm

)

Con

sum

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Flu

xant

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Freqüência de Oscilação (cpm)

Figura 12 – Índice de ocorrência de trinca longitudinal em função da variação de

temperatura da placa de cobre do molde (2)

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Lon

gitu

dina

l

Variação do Nível de Aço no Molde

Figura 13– Efeito da velocidade de variação do nível de aço no molde na ocorrência de trincas

longitudinais

Figura 17 – Efeito do tamanho do defeito na região do menisco na formação de trinca longitudinal

com a variação da temperatura da placa do molde. (7) A trinca nucleada no molde tende a abrir no resfriamento secundário. A abertura da trinca está ligada à quantidade de tensões/deformações a que a pele em solidificação for submetida. Desalinhamento dos rolos da máquina na saída do molde, resfriamento secundário intenso são variáveis que favorecem a propagação da trinca já nucleada.(3,4). 4. CARACTERÍSTICAS E PROPRIEDADES DE FLUXANTES QUE AFETAM A OCORRÊNCIA DE TRINCAS LONGITUDINAIS Como observado nos dados apresentados acima, a maneira efetiva de se evitar a ocorrência de trinca longitudinal em placa é pela manutenção de uma extração de calor uniforme e suave no molde. Diante disto o fluxante é uma variável de grande importância para se obter tal condição, pois grande parte da resistência térmica entre a pele sólida e a placa de cobre se deve ao filme de fluxante. Para que o fluxante desempenhe bem essa função é necessário que haja uma formação de poça líquida que garanta a alimentação contínua e uniforme de fluxante líquido. Conforme a literatura, essa espessura de poça líquida deve ser entre 10 a 20mm(4) (ver figura 18).

Taxa do crescimento da pele (%)

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Tamanho da Ranhura do Molde em (mm)

Com

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mm

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Figura 15 – Efeito do tamanho do defeito na região do menisco na formação de trinca

longitudinal. (1)

Figura 16 – Relação entre não uniformidade da pele solidificada e a formação de trinca

longitudinal.(1)

Figura 18 – Efeito da profundidade da poça líquida de fluxante no molde na formação de trinca longitudinal.(4)

Além de garantir a alimentação contínua e uniforme, o filme de fluxante entre o veio lingotado e a placa de cobre deve desempenhar as funções de lubrificante e controlador da extração de calor. As propriedades do fluxante devem ser ajustadas para as condições operacionais de modo a atender estes requisitos. Os aços mais críticos, os peritéticos tem sido lingotados com maior sucesso com fluxantes de alta basicidade, alta viscosidade (ajustada à condição operacional) e alta temperatura de cristalização (2,4,7,8-13) . É bem conhecido o efeito da basicidade, da temperatura de cristalização e da viscosidade na extração de calor (8 -13) .(ver figuras 19 e 20).

5. DISCUSSÃO A figura 3 mostra que existe uma região próxima a frente de solidificação que, segundo Suzuki e outros (1,3,4,5) , onde a temperatura da pele se situa entre a TS e a TS –50ºC, que é uma região de fragilidade, pois pode existir ainda porções de líquido interdendrítico, que não resiste nenhum tipo de esforço sem nuclear uma fratura. Toda tensão aplicada nessa região da pele solidificada pode-se considerar que irá formar trincas ou núcleos de trincas na região do molde. Essa tensão nucleará trinca longitudinal caso haja uma diferença de espessura na pele solidificada suficiente para gerar tensões termomecânicas acima do limite permitido pelo material. As tensões são geradas pela diferença de temperatura entre a pele fina (quente) e a pele grossa (fria) adjacente. A pele grossa mais fria contrai e

Basicidade

Taxa de Transferência de Calor (KW/mm2)

Temperatura de Cristalização (oC)

Taxa de Transferência de Calor (kcal/m2h)

Figura 19 – Efeito da basicidade do fluxante na extração de calor total do molde.(13) Figura 20 – Relação entre a temperatura de

cristalização e a taxa média de transferência de calor no molde.(9)

Sem TG Com TG (≥ 50mm/m) ∆ - Pouca TG (≤

Zona Ideal

Queda do Consumo pela deficiência de fusão

Alta Fluidez

Espessura de Escória Fundida (mm)

Con

sum

o de

Flu

xant

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g/t)

gera tensões de tração na região de pele mais fina. Quanto maior a diferença de espessura, maior a diferença de temperatura e maiores serão as tensões de tração geradas. Calcula-se que uma diferença de espessura da ordem de 15 a 20% no sentido da largura da placa seja suficiente para possibilitar a geração de trincas longitudinais. A figura 21 ilustra a discussão acima.

Figura 21 – Desenho esquemático ilustrando a irregularidade da espessura da pele solidificada que

produz diferenças de temperatura geradoras de tensões termomecânicas. Conforme a explicação acima, a trinca ocorrerá próximo à frente de solidificação ao pé das dendritas, nos instantes iniciais da solidificação. A trinca aberta nesta região será preenchida por líquido interdendrítico enriquecido de soluto, formando um ponto de segregação localizado. Essa região, bastante fragilizada pela presença de segregação, abrirá novamente, de dentro para fora, aflorando na superfície como trinca longitudinal. A presença de elementos residuais, como o S e o P, como vistos, agravam o problema pois abaixam grandemente a temperatura de fusão da região segregada. A pressão ferrostática, o desalinhamento de rolos, o resfriamento intenso e irregular são fontes comuns de tensões que propiciam a propagação da trinca longitudinal. As máquinas verticais-curvas têm um fator adicional, que é o encurvamento da placa, que favorece ainda mais a propagação da trinca, podendo até gerar um rompimento de pele, caso a propagação da trinca alcance a região ainda líquida no interior do veio. Este mecanismo explica a influência de todas as variáveis operacionais que permitem uma não uniformidade da espessura da pele sólida, em qualquer tipo de aço, do baixo ao alto carbono. Explica também porque as altas taxas de extração de calor favorecem a maior ocorrência de trincas longitudinais. Quanto maior a extração de calor, mais grossa será a pele solidificada e mais acentuada será a não uniformidade entre os pontos. Isto torna maior as diferenças de temperatura superficiais, acentuando as tensões térmicas entre os ditos pontos. A extração de calor mais suave produzirá peles mais finas, reduzindo o gradiente térmico, e por conseqüência, reduzindo as tensões térmicas entre as regiões com espessura solidificada não uniforme. Os aços médio carbono (%C entre 0,09 e 0,17%) apresentam uma transformação de fase nos instantes iniciais da solidificação. O aço se solidifica como ferrita delta e, logo em seguida, pela reação peritética, a fase sólida recém formada se transforma em austenita. Esta transformação se dá com grande variação volumétrica, fazendo com que a pele solidificada contraia mais que os outros aços. Essa transformação em estado sólido com variação volumétrica gera grandes tensões na pele em solidificação. Isto faz com que este tipo de aço seja mais propicio a gerar uma pele não uniforme com maior ocorrência de trinca longitudinal. O fluxante é um fator importante, pois, se bem especificado, ele pode agir como um atenuador da extração de calor no molde, reduzindo o nível de tensões aplicada na pele sólida. É por isso que hoje há uma tendência mundial de se usar fluxantes com

basicidade mais alta, que confere ao fluxante uma temperatura de cristalização mais alta de modo a criar um filme cristalino constante de fluxante que suavize a extração de calor. É também necessário garantir um influxo uniforme de fluxante líquido entre a placa de cobre e a pele solidificada de modo a evitar não uniformidade de solidificação. Dentro deste mecanismo proposto pode-se deduzir que a ocorrência de trinca longitudinal pode ser reduzida pela redução da não uniformidade localizada da pele sólida e pela redução de variáveis que introduzem tensões durante o lingotamento. As principais ações neste sentido são (7):

1. Evitar a transferência de calor não uniforme no menisco: a. Reduzir o número de defeitos na placa de cobre do molde; b. Fluxante com temperatura de cristalização, viscosidade e taxa de fusão

otimizadas para as condições de lingotamento (temperatura e velocidade de lingotamento);

c. Resfriamento suave no molde; 2. Evitar o atrito excessivo da pele sólida no molde:

a. Otimizar as condições de oscilação; b. Ajustar o fluxante para melhorar a lubrificação; c. Otimizar a conicidade da face estreita para acompanhar melhor a

contração da pele. 3. Evitar tensões excessivas na saída do molde:

a. Alinhamento dos rolos na região superior da máquina; b. Resfriamento secundário suave; c. Resfriamento secundário uniforme.

6. CONCLUSÃO O mecanismo de formação das trincas longitudinais foi estabelecido de modo a explicar a influência das diversas variáveis operacionais. Os dados já relatados em outros trabalhos mostram que ocorre uma deformação na pele sólida por algum motivo que gera uma não uniformidade de espessura, devido à diferença de extração de calor local. Essa irregularidade na espessura causa uma diferença de temperatura entre regiões próximas que pode gerar tensões termomecânicas suficientes para abrir uma trinca na raiz das dendritas. Líquido enriquecido de solutos preenchem essa trinca, tornando este ponto propício a propagação da trinca longitudinal se tensões suficiente forem aplicadas. O aço peritético sofre uma reação em estado sólido que favorece uma contração maior devido a transformação de fases. Essa contração acrescenta ao mecanismo descrito anteriormente mais tensões que favorecem a geração de trincas. O fluxante, como um dos principais itens que afetam a extração de calor no molde, tem sido ajustado de modo bem sucedido para reduzir a ocorrência das trincas longitudinais. 7. BIBLIOGRAFIA 1 – S. MIZOGUCHI; H. MISUMI; S. TANAKA – Formation mechanism of superficial

cracks on CC slabs. Japan-US Joint Seminar on Solidification Processing Proc., June 26-29, 1983 – Boston.

2 – Y. MIYASHITA; M. SUZUKI; K. TAGUCHI; S. UCHIDA; H. SATO; M. YAMAMURA –

Improvement of surface quality of continuously cast slabs. Nippon Kokan Technical Report Overseas, 36: p.55-64; 1982.