ELIMINATION OF SURFACE DEFECTS IN COLD ROLLED EXTRA
LOW CARBON STEEL SHEET
Cristian Genzano (1) Jorge Madías (1) Daniel Dalmaso (2) Jorge Petroni (2) Daniel Biurrum (2) Gustavo Di Gresia (2) ABSTRACT
The occurrence of shallow surface defects in extra low carbon cold rolled steel sheets was studied. The metallographic analysis of the defects was not enough to determine the origin of these defects.
It was established that the extra low carbon steels are as prone to surface defects as ultra low carbon steels. This is due to the formation of a “hook” associated to oscillation marks of the slabs, with a deeper penetration than in low carbon steels.
This “hook” prevents argon bubbles and mold powder macroinclusions close to the solidification front from flotation and detaching in the mold slag. This lead to subsurface defects in the first 2 mm of the slab shell.
It was also concluded that the Mn to S ratio in the steel was very low, allowing the possibility of heat crack formation during rolling.
The preheating conditions previous to rolling could help in solving the problem, or increase it. The actions undertaken related to these aspects led to the elimination of this sort of defects.
Key words: surface defects, ELC, hooks, slabs.
(1) Steelmaking Division, Instituto Argentino de Siderurgia, Av. Central y 19 Oeste, 2900 San Nicolas, Bs. As., Argentina, . www.cablenet.com.ar/ias/eng/aceria.htm
ELIMINACION DE DEFECTOS SUPERFICIALES EN CHAPA
LAMINADA EN FRIO DE ACERO DE EXTRA BAJO CARBONO
Cristian Genzano (1) Jorge Madías (1) Daniel Dalmaso (2) Jorge Petroni (2) Daniel Biurrum (2) Gustavo Di Gresia (2) RESUMEN.
Se estudió un problema de aparición de defectos superficiales leves en chapas laminadas en frío de aceros de extra bajo carbono.
El análisis metalográfico de los defectos, por sí mismo, fue insuficiente para definir su origen.
Se estableció que los aceros de extra bajo carbono son tan sensibles como los aceros de ultra bajo carbono a la presencia de defectos superficiales, debido a la formación de un “gancho” en las marcas de oscilación de los planchones, de mayor penetración que en los aceros normales de bajo carbono. Este “gancho” puede impedir la flotación y separación en el molde de burbujas de argón y macroinclusiones de polvo colador muy cercanas a la cáscara solidificada y dar lugar así a defectos superficiales en los primeros 2 mm de piel de los planchones.
Se pudo llegar también a la conclusión de que el acero tenía un diseño de Mn muy bajo en relación al contenido de S, que podía dar lugar a la formación de grietas por fisuración en caliente durante la laminación.
Las condiciones del precalentamiento previo a la laminación podían favorecer la eliminación del defecto o acentuarlo.
Las medidas tomadas en relación a estos aspectos llevaron a la eliminación del defecto.
1. INTRODUCCION.
Debido a la aparición frecuente de un defecto superficial leve en chapas laminadas en frío de acero de extra bajo carbono (ELC), denominado en acería FK 04 PC, se lanzaron diversas acciones, incluyendo el estudio de muestras laminadas en frío con defectos, una revisión de la bibliografía y estudio de muestras de planchones.
A partir de los resultados obtenidos de los estudios antes mencionados, se tomaron acciones concretas para eliminar el defecto. Luego de la aplicación de dichas acciones el defecto no se volvió a detectar.
2. CARACTERIZACION DEL DEFECTO.
Los defectos se observaban en forma aleatoria, siempre paralelos a la dirección de laminación, y aparecían en todo o parte del ancho de la chapa, paralelos entre sí, con diversas longitudes. Pueden observarse en una cara en ambas. En general tienen el aspecto de estar cerrados, aunque de tanto en tanto se abren al exterior.
(1) Instituto Argentino de Siderurgia, Av. Central y Calle 19 Oeste, 2900 San Nicolás, Prov. de Buenos Aires, Argentina. www.cablenet.com.ar/ias/aceria.htm
Figura 1. Aspecto de los defectos superficiales sobre las chapas laminadas en frío.
Figure 1. Appearance of the surface defects in cold rolled sheets.
La observación directa de los defectos superficiales en el SEM permitió detectar un brillo distinto en la superficie de la chapa, en la zona donde estaba localizado el defecto. En los cortes transversales y longitudinales realizados, en varios casos no se pudo observar diferencias entre la superficie normal de la chapa y la superficie del defecto, ni la existencia de material no metálico subsuperficial, sea óxido de hierro o macroinclusiones o diferencia en la estructura metalográfica entre ambas zonas. En otros casos, se observaron muescas y solapamiento de material.
Figura 2. Aspecto del defecto en un corte transversal. Izquierda: sin ataque. Derecha: ataque con nital.
Figure 2. Appearance of the defect in a transverse cut. Left: as polished. Right: nital etching. 3. FORMACION DE GANCHOS.
En un trabajo desarrollado por Sollac Florange [1] se observó que los principales problemas de calidad en grados de aceros similares (ELC) estaban asociados con el atrape de burbujas de gas o inclusiones en los primeros 3 mm de la superficie del desbaste, cerca de las caras angostas, en la vecindad de los ganchos (“hooks”) solidificados (figura 3).
Figura 3. Atrape de una burbuja de argón (izquierda) y de una macroinclusión (derecha) en el gancho solidificado, debajo de una marca de oscilación [1].
Figure 3. Argon bubble (left) and macroinclusion entrapped (right) in the solidified hook, under an oscillation mark.
1) los que reproducen la forma del menisco, que son curvos y con amplia penetración; 2) rectos, que presentan cierto ángulo con respecto a la superficie;
3) doblados, que se han doblado y vuelto a posicionar contra el molde [1]. En la figura 4 se muestran los tres tipos, esquemáticamente.
Figura 4. Tipos de ganchos sobre la base de las observaciones metalográficas [1].
Figure 4. Different hooks, base on metallographical observations.
Con el fin de determinar cuál era el tipo de gancho presente en los planchones de SIDERAR y su posible relación con los defectos observados en la chapa laminada en frío, se estudiaron dos muestras de las tomadas de rutina para el ensayo Baumann, que correspondían a planchones de acero ELC de 1016 x 200 y 968 x 200 mm. Se corroboró la presencia de los tres tipos de ganchos (figura 5). También cerca del ángulo entre la cara angosta y la cara ancha móvil, se observaron poros atrapados debajo de un gancho (figura 6).
Según la evaluación realizada en el IAS, el tipo de ganchos predominantes es el del tipo 2 (figura 7), no tan crítico como el 1 desde el punto de vista de atrapes de burbujas o macroinclusiones.
El contenido de carbono influencia decisivamente en el tipo de gancho predominante y su profundidad. Carbonos en el rango de los aceros ELC implican que predominen los ganchos del tipo 1 y profundidades del orden de 1 a 2 mm. Por lo tanto, a media que baja el C la posibilidad de atrapes subsuperficiales es mayor.
Figura 5. Ejemplos de ganchos del tipo 1, 2 y 3 observados en este estudio.
Figura 6. Poro atrapado debajo de una marca de oscilación, cerca del corner. Izquierda: sin ataque. Derecha: ataque con reactivo de Béchet-Beaujard.
Figure 6. Blowhole entrapped under an oscillation mark, close to the corner. Left: as polished. Right: etched with Béchet-Beaujard reagent.
El alto porcentaje de carga directa de los desbastes acentuaba el problema al dar como resultado una menor generación de laminillo. Tipo 2 Tipo 1 Tipo 3
Figura 7. Distribución porcentual de los 3 tipos de ganchos en las muestras de desbastes de SIDERAR.
Figure 7. Distribution of the 3 hook types in SIDERAR slab samples.
Una modificación del sistema de oscilación, que pasó de mecánico a hidráulico, y la introducción de oscilación triangular de baja amplitud en lugar de sinusoidal, dio como resultado una disminución de la proporción de ganchos de tipo 1 y de la profundidad de los ganchos [1].
La existencia del gancho ha sido discutida desde la literatura más temprana que analizó el fenómeno de la formación de marcas de oscilación. Así, Takeuchi y Brimacombe al intentar establecer el mecanismo de formación de las marcas, encontraron que bajo la superficie de las mismas la estructura metalográfica presentaba diversas particularidades, entre las cuales se hallaban los ganchos, que se revelaban debido a la segregación positiva o negativa.
Propusieron un mecanismo para la formación de marcas con gancho y sin gancho [2]. Visualizaron la formación o no del gancho como un problema de mayor o menor resistencia de la piel a doblarse contra el molde al iniciarse la banda de tiempo positivo, que da lugar a presión negativa entre la piel y el molde.
Un trabajo coreano muestra el efecto de modificar los parámetros de oscilación (para un modo de oscilación sinusoidal) sobre la presencia de trazas de gancho y sobre el atrape superficial de burbujas de argón [3]. En este caso, se trató de una disminución de la amplitud de 8 a 6 mm, con disminución de “Negative Strip Ratio” de 1,3 a 1,2, dando como resultado una disminución en la aparición de ganchos y el atrape de burbujas en la cara angosta. Entre las medidas propuestas en la literatura para minimizar la existencia del gancho, está el trabajar con el menisco más caliente, que también es crítico para tener una lubricación adecuada [4]. Esto hace que el menisco se comporte como un líquido y facilita la evacuación de burbujas de argón o de inclusiones (figura 8).
Para ello se han propuesto polvos coladores de baja densidad, como los granulados. En una comparación de la conductividad térmica realizada entre un polvo colador basado en mezcla de componentes y su versión granulada, se pudo ver que el polvo granulado conduce menos el calor a las temperaturas en que todavía no está fundido (figura 9). O sea que la diferencia de conductividad entre ambos polvos se aprecia sobre todo si la capa de polvo sin fundir es importante.
Otra posibilidad, propuesta por Emi [4], es la de utilizar polvos exotérmicos. La influencia de este tipo de polvos se pone de manifiesto en resultados en términos de disminución del número de burbujas de argón (figura 10).
caliente y frío, desde el punto de vista del atrape de burbujas [4].
Figure 8. Comparison between hot and cold meniscus, regarding to bubble entrapment.
Figura 10. Influencia del tipo de polvo colador sobre la presencia de burbujas de argón en la cara angosta [5]. Se observa que el polvo colador B, exotérmico, permite disminuir el índice de presencia de burbujas.
Figure 10. Influence of the casting powder on the presence of argon bubbles in the narrow face. It can be seen that powder B, exothermic, allows a lower index of bubbles.
Figura 9. Conductividad térmica en función de la temperatura, para un polvo basado en mezcla de componentes y el mismo polvo pero granulado [5].
Figure 9. Thermal conductivity as a function of temperature, for a casting powder based on compounds mix and the same powder granulated.
4. DISCUSION DE RESULTADOS.
Los defectos superficiales del tipo de los observados en las chapas laminadas en frío han sido discutidos en diversos álbum de defectos y artículos técnicos.
Desde el punto de vista de su escasa penetración, se los ha clasificado como defectos del tipo “slivers”, demasiado poco profundos como para poder ser identificados (“too-shallow-to-identify sliver defects”) [6]. Un trabajo de Inland Steel menciona que estos defectos son paralelos a la dirección de laminación y pueden presentarse en cualquier punto del ancho de la chapa, presentándose a simple vista como claros u obscuros dependiendo del ángulo de visión del observador.
Este trabajo también muestra que tanto la observación directa de la chapa sin pulir en el SEM, como la observación metalográfica de cortes del defecto no proporcionan información alguna (como sucedió en varias muestras de este estudio) y se formula la hipótesis de que si existen rasgos metalográficos diferentes entre la zona normal y la del defecto, estos se destruyen en el pulido, por ser de defectos muy superficiales. Otra conclusión relevante es que uno de los mecanismos de formación de estos defectos es la que un “sliver” existente en una cara de la chapa puede crear una impresión del lado opuesto, lo que coincide con lo observado en este estudio respecto a la presencia del defecto en las dos caras de una misma chapa.
Es conocido que los aceros denominados de Ultra Bajo Carbono (ULC) son sensibles a defectos superficiales relacionados con el atrape de burbujas de argón o macroinclusiones. Pero debe señalarse que los aceros de Extra Bajo Carbono (ELC), con Carbonos de 0,02 a 0,03%, también son afectados por este problema.
Un trabajo de LTV Steel [7] muestra que tanto el acero ELC como el ULC son susceptibles a presentar los defectos superficiales conocidos como “pencil pipe” o “blister”. Este defecto aparece dependiente del caudal de acero colado y del ancho del desbaste (figura 11). Las soluciones encontradas para minimizarlo estuvieron relacionadas con la disminución del caudal de argón inyectado por la buza superior y la limitación en el “throughput”.
Figura 11. Efecto del caudal de acero colado “throughput” (izquierda) y del ancho del desbaste (derecha) sobre los rechazos internos debido al defecto “pencil pipe” en LTV Steel para aceros ELC y ULC [7].
Figure 11. Effect of the steel throughput (left) and the width of the slab (right) on the internal claims due to pencil pipe defects in ELC and ULC steels.
Otro aspecto relacionado con el diseño de este tipo de acero es el bajo contenido de manganeso, y la baja relación Mn/S. Por ejemplo, existe un trabajo de China Steel sobre defectos superficiales en chapa laminada en frío de aceros ELC, denominados “surface heat cracks”, que se observan como líneas blancas en la chapa laminada en frío, y en casos extremos con el aspecto de “slivers” [8]. Estos defectos aparecen en el SEM como un bajorrelieve longitudinal (similares a algunos de los observados en el presente estudio) y presentan S cuando se analiza la superficie de los mismos.
Se encontró que la presencia de S soluble disminuía la ductilidad en caliente del acero y daba lugar a la formación de las grietas durante la laminación en caliente, que se agravaba con altas temperaturas de recalentamiento, y menor realción Mn/S. Como herramienta de investigación se utilizaron ensayos de torsión en caliente de distintos grados de acero [8]. Se calculó el efecto del contenido de S y S soluble calculado sobre el agrietamiento y se estableció un contenido de Mn mínimo para evitar la formación del defecto, en función de la temperatura de laminación (figura 12), obtenido reemplazando el S soluble en la fórmula de Turkdogan: log [Mn] [0,0055] = -9020/T + 2,979 Es importante remarcar que los defectos conteniendo óxido de hierro en productos planos pueden tener muy diverso carácter y orígenes. Por ejemplo, un trabajo de National Steel describe cuatro situaciones de crisis con defectos de este tipo, con origen en el colado, extracción o reacondicionamiento de los desbastes [9]. Un trabajo de DOFASCO muestra ejemplos de “slivers” generados en colada continua, el horno de recalentamiento y durante la laminación en caliente y frío [10]. En una crisis de “slivers”, la falta de elementos típicos de la acería y de oxidación interna, llevó a la conclusión de que el defecto se originaba en el horno.
La metodología utilizada para definir las variables influyentes fue un ensayo Taguchi, tomando como variables el tiempo de residencia de los planchones en el horno, el perfil de calentamiento y contenido de oxígeno de la atmósfera del horno, el uso del descascarillador a la salida del horno y el tipo de combustible. Las variables que tuvieron mayor influencia fueron el tiempo de residencia en el horno (tiempos bajos favorecieron la formación de defectos) y el uso del descascarillador.
Figura 12. Susceptibilidad de los aceros a la formación del defecto “heat cracks” en función del contenido de S (izquierda) y de Mn (derecha) [8].
Figure 12. Susceptibility of different steels to heat crack as a function of the S content (left) and Mn content (right).
El comité técnico sobre metalurgia de la aceración y colado del AISI (American Iron and Steel Institute) llevó a cabo un trabajo con el objetivo de aumentar el nivel de comprensión de los “iron oxide based skin surface laminations” [11]. Se definieron cinco campos de actuación para la determinación del origen de estos defectos: el colado, el reacondicionamiento, el movimiento, el recalentamiento y la laminación en caliente y se realizó un “round robin test” sobre estos defectos.
Como primer medida para minimizar la ocurrencia del defecto se modificó la especificación del acero, con vistas a elevar la relación Mn/S. El Mn pasó de 0,12/0,22% a 0,15/0,22%, variando la relación Mn/S de 28 a 35.
En segundo lugar, se decidió procesar este material sólo con carga fría, para tener una generación de laminillo suficiente como para ayudar a la eliminación de defectos superficiales. Además se verificó la práctica de programación de carga del horno de laminación en caliente, para evitar recalentamiento excesivo de los planchones. También se verificó con los proveedores la adecuación de los polvos coladores en uso en SIDERAR para este grado de acero.
Luego de tomadas estas acciones, no se volvió a detectar la presencia del defecto.
6. CONCLUSIONES.
Se estudió un problema de aparición de defectos superficiales leves en chapas laminadas en frío de aceros de extra bajo carbono. El análisis metalográfico de los defectos, por sí mismo, fue insuficiente para definir su origen.
Se estableció que los aceros de extra bajo carbono son tan sensibles como los aceros de ultra bajo carbono a la presencia de defectos superficiales, debido a la formación de un “gancho” en las marcas de oscilación de los planchones, de mayor penetración que en los aceros normales de bajo carbono. Este “gancho” puede impedir la flotación y separación en el molde de burbujas de argón y macroinclusiones de polvo colador muy cercanas a la cáscara solidificada y dar lugar así a defectos superficiales en los primeros 2 mm de piel de los planchones.
Se pudo llegar también a la conclusión de que el acero tenía un diseño de Mn muy bajo en relación al contenido de azufre, que podía dar lugar a la formación de grietas térmicas durante la laminación.
Las condiciones del precalentamiento previo a la laminación podían favorecer la eliminación del defecto o acentuarlo.
Las medidas tomadas en relación a estos aspectos llevaron a la eliminación del defecto.
REFERENCIAS.
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2. E. Takeuchi y otro. The Formation of Oscillation Marks in the Continuous Casting of Steel Slabs. Metallurgical Transactions B Vol. 15 B September 1984 493-509.
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4. M. Emi. The Mechanisms for Sticking Type Break-outs and New Developments in Continuous Casting Mold Fluxes. 1991 Steelmaking Conf. Proceedings 623-630.
5. F. Neumann y otros. Mold Fluxes in High Speed Thin Slab Casting. 1996 Steelmaking Conference Proceedings 249-257.
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8. J. Lee y otros. Formation of Surface Heat Crack in Low Carbon Steels During Hot Rolling. Mechanical Working & Steel Processing Conf. Proceedings 1996 11-21.
9. W. Barker. The Prevention of Steelmaking Source Iron Oxide Defects. 1992 Steelmaking Conference Proceedings 549-555.
10. K. Cameron y otros. Controlling the Ocurrence of Sliber Defects at DOFASCO. Mechanical Working & Steel Processing Conference Proceedings 1996 23-29.
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