Metallurgist, Vol. 50, Nos. 1-2, 2006

A TRANSFORMAÇÃO DE DEFEITOS DE PRODUTOS SEMI-ACABADOS DE LINGOTAMENTO CONTÍNUO EM DEFEITOS SUPERFICIAIS NOS

PRODUTOS LAMINADOS

A. B. Sychkov, M. A. Zhigarev, A. V. Perchatkin, S. N. Mazanov,And V. S. Zenin*Tradução : André Assunção

A laminação do aço transforma certos defeitos formados durante a operação de fabricação em outros defeitos externamente similares (tais como bolhas de gás, trincas longitudinais, e pele dupla). Como os defeitos da fabricação do aço, os defeitos formados durante a laminação não podem sempre ser sem ambigüidade avaliados por inspeção visual e distinguidos dos defeitos formados durante a produção do aço. Por exemplo, é algumas vezes difícil distinguir dobras de trincas laminadas ou distinguir scabs (gota fria) de folds (pele dupla) laminada. A classificação precisa de defeitos superficiais nos produtos laminados de acordo com suas causas e o estágio do processo de produção em que eles foram formados é essencial para melhorar a qualidade do produto e reduzir o custo de produção do aço e produtos laminados, desde que seja possível fazer correções imediatas no processo. O grau de precisão com que a origem de um dado defeito é determinado depende do grau de perfeição e confiabilidade dos métodos de inspeção e equipamentos usados, tão bem como do sistema implementado para monitorar o processo de produção.

A classificação de defeitos superficiais é um dos passos mais importantes que cada usina siderúrgica pode tomar para melhorar seus processos de produção e as características de qualidade de seus produtos laminados. Isto é verdade em particular para produtos destinados a aplicações críticas, visto que os padrões de qualidade superficial de tais produtos são de importância decisiva. A classificação de defeitos superficiais e a determinação de suas causas são tarefas que são diretamente ligadas às tecnologias usadas para fabricar o produto em cada etapa de transformação. Portanto, não obstante que métodos comuns vieram em uso para classificar defeitos formados durante a fabricação do aço e laminação, a classificação de defeitos e suas causas permanecem em um esforço que é específico para um dado ambiente de produção e que deve ser inteiramente pensado por cada companhia.

Na Usina Siderúrgica Moldavian (MMZ), perfis leves e fio-máquina são obtidos de produtos semi-acabados de lingotamento contínuo de 125 x 125 mm. Variação da tecnologia determinada para a fabricação do aço e lingotamento podem levar ao aparecimento de defeitos superficiais nos tarugos: trincas devido à contração (hanger tears), trincas, inclusões de escória, bolhas de gás (superficiais e subsuperficiais), pele dupla (folds), sangria, marcas de oscilação fortes, riscos, linhas (lines), e emendas de veio (fig. 1a-h). As causas possíveis destes defeitos estão listadas na Tabela 1. Durante a laminação dos tarugos, os defeitos são transformados em defeitos na superfície do produto laminado. Alguns destes defeitos podem parecer externamente o mesmo, mas possuem diferentes causas. Uma investigação básica da natureza dos tipos de defeitos sendo discutidos aqui necessariamente inclui uma avaliação da macroestrutura do

produto laminado. A avaliação possibilita identificar de forma confiável tais defeitos superficiais como impurezas laminadas, incrustração, bolhas de gás, marcas de solda (seams) e carepa relacionada com super-aquecimento ou queima do aço. Após a macroestrutura ter sido avaliada, as amostras são preparadas e ensaiadas para falhar nos estados não-temperado e temperado. As amostras fraturadas podem então ser usadas para estudo complementar por meio de metalografia óptica, difração de raios-X, ou microscopia eletrônica. A natureza exata de um dado defeito pode ser sem ambigüidade determinada apenas após estudo metalográfico. Os resultados de tais estudos são analisados juntos com informação sobre irregularidades nas operações realizadas para fabricar o aço e o produto laminado (veja Tabela 1). Os estudos metalográficos possibilitam identificar características morfológicas e de origem de um defeito.

Fig.1: Defeitos superficiais em tarugos: a) bolhas superficiais; b) bolhas sub-

superficiais; c) incrustrações de escória; d) end lamination; e) trinca de contração longitudinal; f) trincas longitudinais; g) trincas transversais; h) sangria.

As características morfológicas de um defeito determinam a periodicidade de sua distribuição sobre a superfície do produto laminado, seu comprimento de propagação, e a forma da cavidade do defeito na seção transversal do produto. Por exemplo, defeitos formados durante a operação de laminação são geralmente caracterizados pela posição geometricamente regular ao longo do produto laminado (isto inclui bigode, dobras, palhas, risco, etc.) e uma distribuição periódica (isto inclui marcas de cilindro/rolete, dobras, riscos, etc.). Por outro lado, bolhas de gás tendem ser aleatoriamente localizadas no produto laminado em grupos, além do que em linha.

Um defeito tal como uma dobra é contínuo e é localizado ao longo de uma linha reta; é encontrado desviar de uma linha quando ela é condicionada, que é relacionado com a propagação do defeito no interior do metal em um ângulo agudo. Dobras podem também ser formadas nas seções finais do produto laminado devido a ajustes inadequados do laminador. Marcas formadas do caldeamento do metal do produto semi-acabado ao cilindro de laminação (canal quebrado) ou à guia roletada são localizadas ao longo do produto (fio-máquina) com uma certa freqüência. A cavidade tem uma forma distinta para cada defeito: para bolhas de gás, ela está na forma de uma cápsula que tem paredes suaves e freqüentemente tem uma extremidade embotada (Fig. 2a); cavidades de trincas longitudinais ou transversais são mais largas próximo à superfície, as paredes são freqüentemente sinuosas, e as extremidades da cavidade são ramificadas; a cavidade de uma dobra está em um ângulo agudo em relação à superfície, as paredes são suaves, e a extremidade pode ser embotada, mas é freqüentemente aguda (Fig. 3); a cavidade de soldaduras causadas por super-aquecimento ou queima do aço se parece com um rasgo que tem paredes sinuosas que são mais largas em direção à superfície e que tem uma extremidade estreita e freqüentemente aguda no interior do produto. A forma das cavidades formadas durante a operação de fabricação do aço depende da sua forma no aço lingotado, que depende por sua vez das condições que existem durante a solidificação e resfriamento. A forma dos defeitos da operação de laminação depende da natureza das variações que existem no ajuste do laminador, o sistema de passes (o regime de deformação do produto laminado), e o esquema usado para manipular (desviar) o produto quando ele move ao longo do laminador.

Tabela 1: Efeito de fatores de processo na formação de defeitos superficiais no tarugo.

Fator

Defeito na superfície do tarugoTrincas de contração,

trincas, inclusões

Incrus-tração

de escória

Bolhas de gás

Pele dupla, sangria

Marcas de

oscilação fortes

Riscos, dents

Desgaste, deformação e dano mecânico na superfície do molde

X X X

Centralização imprecisa do molde ao longo do eixo de trabalho

X X

Desvios do regime determinado de alimentação de lubrificante para as paredes do molde

X X

Desvios da trajetória determinada do molde e/ou do regime de vibração

X X X

Resfriamento secundário irregular do tarugo

X

Defeitos e respingos de metal nos rolos de apoio e nos rolos da seção de extração-endireitamento e rolos-guia

X

Desvios do tarugo do eixo de trabalho, fricção contra os canais das guias

X

Alto grau de contaminação do aço por inclusões

X

Aço mal desoxidado XAlto teor de umidade no lubrificante de processo e revestimento do distribuidor

X

Desvios dos parâmetros de lingotamento especificados (regimes de velocidade e temperaturas de lingotamento, etc.)

X

Altos teores de enxofre e impurezas prejudiciais no aço

X X

Proteção insatisfatória do jato de aço X

deixando o distribuidor

Fig. 2: Bolha de gás laminada (fio-máquina de 5,5mm de diâmetro de aço 70, x200)

Fig. 3: Forma da cavidade de dobra.

As características da origem de um defeito são a reflexão de processos físico-químicos que tomam lugar durante a produção do aço. Elas são peculiares para cada tipo de defeito. Em um nível microestrutural, elas podem incluir a presença de inclusões não-metálicas, o grau de desoxidação do aço no sítio do defeito, e a presença, freqüência relativa, e posição de certos componentes estruturais. Em um nível macroscópico, as características da origem podem incluir o grau de segregação de impurezas e dos elementos principais, o grau de contaminação do aço, e a presença de trincas e outras descontinuidades. Por exemplo, a estrutura de defeitos superficiais no produto acabado resultante de defeitos formados durante a formação do tarugo – bolhas de gás (superficiais e subsuperficiais), por exemplo – podem mostrar mudanças em torno das cavidades tipo cápsula: grãos de ferrita envolvendo grãos de perlita (Fig. 2b), grãos de perlita contendo regiões em que fósforo ou enxofre está segregado, etc. Defeitos formados das trincas de solidificação no tarugo são acompanhados por descarbonetação e segregação de fósforo. Pele dupla é acompanhada por acumulações em forma de arco maciças de segregados e óxidos de ferro alongados e plasticamente deformados (Fig. 4). Não existe segregação de fósforo ao redor de defeitos de laminação. Descarbonetação pode ser parcial, completa, ou geralmente ausente, dependendo do tipo de defeito (Fig. 5a e b).

Para um número de defeitos que se formam durante a fabricação do aço, isto é, que são originários em caráter, a composição qualitativa das inclusões não-metálicas é o critério que determina o grupo a que um dado defeito pertence. Esta composição pode ser determinada de forma confiável de índices metalográficos. Para fazer isto, seções metalográficas são examinadas em campos de visão de luz clara, campo escuro e polarização. As análises metalográficas, em combinação com o estudo da

macroestrutura da seção do defeito, ajudam a determinar de forma confiável a natureza de tais defeitos como impurezas laminadas, incrustração e scabs.

Foi mencionado acima que defeitos podem ser acompanhados por outras características que são devidas a certos aspectos dos métodos de fabricação do aço e laminação usados em uma usina em particular. Aqui, alguns defeitos que parecem externamente similares podem ter sido criados como um resultado de diferentes fatores.

Fig. 4: Dobra de sangria/pele dupla no fio-máquina.

Fig. 5: Defeitos de laminação: a) descarbonetação parcial/unilaterial; b)

descarbonetação completa.

A Usina Siderúrgica Moldavian conduziu estudos que possibilitam classificar defeitos em relação à sua origem. Uma palha contínua formada durante a laminação (Fig. 6) consiste de pedaços de aço em forma de língua que foi parcialmente separada do metal base. A superfície inferior de uma palha está oxidada e o aço sob ela está coberto por carepa. Oxidação e descarbonetação podem ser observadas nas seções metalográficas na região do defeito. As razões para a formação da palha podem ser a laminação de um seam (costura ou efeito solda), cortes feitos por baixo do material, traços de esmerilhamento irregular de defeitos ou do contato com cilindros severamente gastos, ou danos mecânicos grosseiros. As palhas podem também resultar de aquecimento desigual, superaquecimento, ou queima do aço. Ao mesmo tempo, podem existir defeitos genéricos que são externamente similares às palhas e são causados pela laminação de um tarugo com bolhas subsuperficiais, gotas frias ou respingos, dobras formadas na pele do tarugo quando ele solidifica, ou inclusões de escória. A natureza precisa de um defeito pode ser determinada sem ambigüidade somente através de estudo metalográfico da microestrutura.

Seams (costuras ou palha rendilhada) formadas como um resultado da deformação (Fig. 7) consiste de rasgos localizados perpendiculares ou em um ângulo em relação à direção em que o aço sofre a maior quantidade de alongamento. Palhas rendilhadas podem estar localizadas ou ao longo das superfícies ou nas extremidades do produto laminado acabado. Como regra, estes defeitos não podem ser eliminados. Eles são formados pelas seguintes razões: o aço diminuiu sua ductilidade (devido a

superaquecimento ou queima); o aço contém intercamadas de baixo ponto de fusão que reduzem sua resistência, particularmente ao longo dos contornos de grão (a composição da intercamada é baseada em eutéticos de baixo ponto de fusão de Fe com Sn, Pb, Si, S e outros elementos); uso de abertura com oxigênio (na MLC). Defeitos que são externamente similares às palhas rendilhadas podem ser formados como um resultado da laminação de tarugos com grupos grandes e intimamente espaçados de bolhas subcutâneas. Aumentando o teor de cobre do aço pode facilitar a formação de palhas rendilhadas. O movimento do cobre de baixo ponto de fusão para a superfície do aço pode causar a fragilidade a quente (Fig. 8).

Fig. 6: Palha formada pela laminação.

Fig. 7: Palha grosseira rendilhada induzida por deformação.

A classificação de defeitos tais como trincas laminadas é um problema complexo. As razões para a sua formação no tarugo foram descritas em detalhes acima. No produto laminado, este tipo de defeito consiste de rasgos do metal orientados ao longo do eixo de laminação, ou em um ângulo perpendicular a este. A orientação exata do defeito depende da orientação e forma do defeito original no tarugo. Trincas longitudinais laminadas representam um rasgo estreito no metal com paredes comprimidas e desníveis largamente espaçados. Trincas laminadas que são perpendiculares ou em um ângulo ao eixo de laminação são compostas de rasgos grosseiros com uma orientação transversal. Estes tipos de trincas têm um formato de língua e são algumas vezes acompanhadas por palhas grosseiras. Uma fratura que toma lugar ao longo da trinca laminada é severamente oxidada (Fig. 9a e b).

A MMZ está agora focada na produção de novos tipos de produtos (incluindo produtos laminados destinados para estampagem a frio) os quais a qualidade será principalmente avaliada baseada na ausência de trincas superficiais. Junto a isto, a usina instituiu medidas para determinar os fatores que afetam a formação de vários defeitos durante a fabricação do aço e laminação. Programas foram desenvolvidos para modernizar o equipamento existente e eliminar certos fatores que poderiam estar contribuindo para a formação de defeitos superficiais. Em particular, a usina está reformando o lingotamento contínuo no complexo da aciaria e melhorando o mecanismo de oscilação do molde. Está também modernizando o sistema que controla

os acionamentos das máquinas de extração e endireitamento, introduzindo luvas (sleeves) de uma nova configuração, e fazendo outras mudanças.

Fig. 8: Rasgos na superfície do produto laminado formado como resultado de um alto

teor de cobre (x200).

Fig. 9: Trinca laminada: a) superfície do produto laminado; b) fratura transversal.

Para corrigir defeitos no processo de produção existente, é necessário conhecer não apenas a natureza exata dos defeitos que são encontrados, mas também onde eles foram formados no processo e porquê. Suas causas não podem ser sempre determinadas por análises metalográficas. Nestes casos, é necessário ter completo conhecimento do processo de produção e o mecanismo pelos quais vários fatores podem influenciar a formação de diferentes tipos de defeitos no tarugo e produto laminado. Por exemplo, as causas da formação de bolhas de gás superficiais e subsuperficiais podem incluir um alto teor de umidade nos materiais adicionados ao aço, desoxidação insuficiente do aço que está sendo lingotado, altos teores de umidade no revestimento do distribuidor e/ou apreciáveis flutuações no nível do aço líquido dentro do molde. Portanto, para determinar a causa de um defeito específico, é necessário realizar monitoramento detalhado das operações de fabricação do aço líquido e lingotamento e checar a condição dos materiais auxiliares usados no processo.

Dificuldades na determinação do ponto exato em que um defeito é formado são também encontradas na troca da laminação. Por exemplo, defeitos tais como dobras são externamente similares a bolhas de gás laminadas. Em alguns casos –

particularmente no fio-máquina – dobras são também similares a defeitos tendo a forma ou de uma saliência longitudinal reta laminada sobre um lado do produto laminado ou duas saliências nos lados diametralmente opostos do produto; um grande bigode que é laminado no produto pode parecer como duas linhas paralelas (Fig. 10a). Um aspecto característico de dobras que é visível nas seções microscópicas e macroscópicas transversais é que elas são posicionadas em um ângulo agudo em relação à superfície do produto laminado. Nas seções microscópicas, a extremidade deste tipo de defeito é desramificado e é encurvado como uma fibra simples. O defeito é preenchido com carepa e o aço de sua parede foi descarbonetado; sua presença é acompanhada pela distorção da estrutura dos grãos do aço. Quando um bigode grosseiro é forçado para dentro do produto laminado, a dobra associada pode estar posicionada em um ângulo reto em relação à superfície e ter uma seção final sinuosa (Fig. 10b) (Nota do tradutor: este defeito é semelhante ao canal quebrado caracterizado na Belgo Monlevade). Dobras podem ser formadas como um resultado de preenchimento exagerado de canais, defeitos de projeto dos passes, desgaste excessivo do passe líder, ajuste inapropriado dos passes e das guias, laminação do aço em temperaturas excessivamente baixas, etc. Embora muitas das razões para a formação de dobras são entendidas, ainda existem casos onde a determinação da origem exata destes defeitos representa um desafio.

Fig. 10: Dobra: a) bigode laminado nos dois lados; b) cavidade.

Um assunto de interesse significante para pesquisadores tem sido a razão para a formação de dobras até 30 m ao longo da superfície do fio-máquina. Estas dobras em questão estão localizadas 700-1600 mm da cauda da bobina. Pesquisadores realizaram numerosos experimentos envolvendo a formação de defeitos artificiais no produto semi-acabado quando ele sofre laminação em diferentes partes do laminador. Análises dos resultados e monitoramento do processo de produção como um todo mostrou que o dado tipo de defeito é formado devido a um defeito no projeto da peça do equipamento que descarrega o tarugo aquecido do forno de aquecimento de soleira caminhante (em uma operação chamada descarga de impacto). Aqui, o produto semi-acabado pesando 1.4 t cai aproximadamente 1 m sobre uma esteira de rolos giratórios que consiste de rolos com recobrimento duro e é posicionada dentro do forno. Isto levou a formação de grandes defeitos localizados (dents) e riscos de atrito em um lado do produto semi-acabado (Fig. 11a) e a remoção mecânica (riscos de atrito) de metal no outro lado ou na extremidade que vem em contato com os rolos (Fig. 11b). A reconstrução do elemento de descarga do forno para que o produto semi-acabado do lingotamento seja colocado na esteira sem impacto eliminou a formação de defeitos mecânicos na sua superfície.

Fig. 11: Defeitos superficiais no tarugo no equipamento que descarrega os produtos

semi-acabados do forno de aquecimento de soleira caminhante: a) defeitos localizados (dents) grandes; b) riscos de atrito.

Conclusões. Durante a laminação, vários tipos de defeitos formados na operação de fabricação do aço são transformados em defeitos que são externamente similares (bolhas de gás, trincas longitudinais, pele dupla). Defeitos que são formados durante a laminação são também algumas vezes difíceis de identificar sem ambigüidade por distintos meios visuais dos defeitos de fabricação do aço. Exemplos incluem dobras de trincas laminadas e palhas laminadas formadas como resultado de pele dupla. Classificação precisa de defeitos superficiais nos produtos laminados em termos de suas causas e onde eles foram formados no processo de produção é essencial para melhorar a qualidade do produto e abaixar os custos de produção, visto que possibilita realizar em tempo as correções no processo. O grau de confiabilidade com que a origem de um dado tipo de defeito é determinado depende da perfeição dos métodos e equipamentos usados para monitorar a qualidade do aço e o andamento das diferentes operações realizadas para obter o produto acabado.