POST MORTEM STUDY OF A NARROW-FACE MOLD PLATE … · ESTUDIO POST MORTEM DE UNA PLACA LATERAL DE MOLDE DE UNA COLADA CONTINUA ... horno cuchara y colada ... de la placa en la cara

17th IAS Steelmaking Conference, 2009, Campana, Buenos Aires, Argentina 269

POST MORTEM STUDY OF A NARROW-FACE MOLD PLATE OF STEEL SLAB CASTER

Alejandro Martín (1)

Michel Romero (1)

Luis Reda (1)

Edmundo Gonzales (1)

Gustavo Di Gresia(2)

ABSTRACT The copper mold is one of the critical components in the continuous casting machine of steel. The surface of the mold directly affects the quality of the product and the service life of the plate. This paper presents the post-mortem analysis of the coating of nickel and copper plate, based on measurements of hardness, grain size determination in the base metal and Ni coating, and optical and electronic microscopy. From the results it was found that there is a softening along the Ni coating, this being more pronounced in the meniscus zone, the cracks in the Ni layer present a mechanism of formation as a result of thermal stresses. It also identified the presence of a corrosive deposit on the surface and inside the cracks, which generates the formation of liquid phases in the Ni to Cu penetrating. Furthermore, at the bottom of the plate, transverse cracks were found running through the Ni layer, with no material in it, with respect to longitudinal wear was observed that it was a lined due to friction with the slab in form of waves without generating cracks. Keywords: continuous casting, mold, copper, nickel (1) Instituto Argentino de Siderurgia, Av Central y 19 Oeste (2900) S. Nicolás, Arg. [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] (2) Ternium Siderar, CC 809 (2900) San Nicolás, Argentina. [email protected]


ESTUDIO POST MORTEM DE UNA PLACA LATERAL DE MOLDE DE UNA COLADA CONTINUA DE PLANCHONES

Alejandro Martín (1)

Michel Romero (2)

Luis Reda (3)

Edmundo Gonzales (4)

Gustavo Di Gresia(5)

RESUMEN El molde de cobre es uno de los componentes críticos en la máquina de colada continua de acero. La superficie del molde afecta directamente a la calidad del producto y a la vida en servicio de la placa. Este trabajo presenta el análisis post mortem del recubrimiento de níquel y la placa de cobre, basado en mediciones de dureza, determinación de tamaño de grano del metal base y recubrimiento y microscopía óptica y electrónica. A partir de los resultados obtenidos se constató que existe un ablandamiento a lo largo de la misma, siendo esto más acentuado en la zona de menisco, que las grietas presentes en la capa del recubrimiento de níquel presentan un mecanismo de formación como consecuencia de tensiones térmicas. Se determinó además la presencia de un depósito corrosivo sobre la superficie y en el interior de las grietas, que genera la formación de fases líquidas con el Ni penetrando hasta el Cu. Por otro lado, en la zona inferior de la placa, se encontraron fisuras transversales que atraviesan la capa de Ni, sin material en su interior, respecto al desgaste longitudinal se pudo observar que se trata de un rayado debido al roce con el planchón, en forma de ondas sin generación de fisuras. Palabras clave: colada continua, molde, níquel, cobre INTRODUCCIÓN El proceso de colada continua de acero ha reemplazado el colado convencional por lingotes en la mayoría de las plantas siderúrgicas, las ventajas son obvias: mayor volumen de producción con menores costos de producción. La productividad de la máquina de colada continua y la calidad del producto están directamente relacionadas con las condiciones del molde. El deseo constante de operar la máquina de colada continua cada vez a mayores velocidades sin detrimento de la calidad superficial del producto, conlleva inevitablemente a la necesidad de mejorar la vida del molde. Para lograr tal objetivo las mayorías de las compañías a nivel mundial utilizan recubrimientos ya sean metálicos o cerámicos sobre la placa de cobre, logrando aumentar entre 5 y 7 veces la vida del molde. Ternium Siderar es la principal compañía siderúrgica de la Argentina y el único productor de productos planos mediante alto horno, convertidor, horno cuchara y colada continua. En este trabajo se presentan los resultados de un estudio post mortem realizado sobre una placa de molde que salió de servicio antes de lo previsto debido a problemas en el recubrimiento de níquel a la altura del menisco. (1) Instituto Argentino de Siderurgia, Av Central y 19 Oeste (2900) S. Nicolás, Arg. [email protected], [email protected], [email protected], [email protected] (2) Ternium Siderar, CC 809 (2900) San Nicolás, Argentina. [email protected]


DESARROLLO La placa estudiada corresponde a un lateral de molde de 200 x 900 x 45 mm, con un recubrimiento de Ni de of 3 mm sobre la superficie y 1 mm en los bordes, el material base es SeCuAg (0.08 – 0.13 % Ag). La metodología de estudio estuvo basada en mediciones de durezas, microscopía óptica / electrónica y determinación de tamaño de grano en el recubrimiento de níquel y la placa de cobre. En la figura 1, se puede observar el aspecto general de la parte superior de la placa, donde se aprecia la zona de menisco, o sea el sector donde osciló el nivel de acero en el molde. Debajo de la misma y a la derecha se puede ver un importante deterioro de la capa de Ni.

Figura 1. Aspecto general de la placa y detalle del desprendimiento de la capa de Ni.

Mediciones de dureza Las mediciones de dureza a lo largo de la placa en la cara caliente (lado Ni) y en la cara fría (lado Cu), según se indica en figura 2.

Figura 2. Zonas de la placa donde se realizaron las mediciones de dureza.

Los resultados de las determinaciones de dureza a lo largo de la placa fueron tomadas con durómetro portátil y en algunos casos contrastadas contra mediciones de durómetro de banco. En las figuras 3 y 4 se presenta la distribución de la dureza a lo largo de placa, en el cobre y en el níquel respectivamente.

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

Dur

eza

Brin

ell

mm

exterior al canal

interior del canal

0

50

100

150

200

250

300

350

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850

Dur

eza

Brin

ell

mm

Lado Niquel (Borde)

Lado Niquel (Centro)

Figura 3. Perfil de durezas del Cu Figura 4. Perfil de durezas del Ni

Menisco


Microscopía óptica y electrónica Se realiza un estudio de microscopía óptica y electrónica sobre distintas zonas de la placa de molde con el objetivo de evaluar la estructura tanto en el cobre como de la capa de níquel. La zona de donde fueron extraídas las muestras se presentan en la figura 5. La muestra 1 fue tomada directamente de la zona donde se presentó el desprendimiento de la capa de Ni, la muestra 2 es de una zona donde no hubo desprendimiento pero operó a una exigencia térmica similar a la de la muestra anterior.

Figura 5. Detalle de la zona de donde se extrajeron las muestras estudiadas.

Muestra 1 (zona de menisco con desprendimiento de Ni) En la figura 6 se observa el aspecto de la capa de níquel y la interface con el cobre. Se puede ver como las grietas atraviesan la capa de níquel hasta llegar al cobre y continúan a través de este. En la figura de la derecha, se aprecia como el material corrosivo penetra entre las capas hasta provocar el desprendimiento de la capa de níquel.

Figura 6. Aspecto de la capa de Ni sobre el cobre en la zona de menisco con desprendimiento de Ni

Luego se observó en detalle, la capa de níquel en el microscopio óptico. En la figura 7, se presentan imágenes de la misma, donde se puede notar, a la izquierda, la grieta rellena del material y a la derecha una capa del mismo material sobre el recubrimiento de níquel.

Figura 7. Grietas en la capa de níquel con material en su interior


En la capa de Ni, la estructura de granos presenta un aumento de tamaño progresivo desde la zona de interfase hacia la superficie de la capa (cara caliente). El tamaño promedio en la zona de granos chicos (próximo a la interfase) es de 4 µm y en la zona próxima a la superficie, el tamaño de grano alcanza valores promedio 9,5 µm. Figura 8. Las grietas propagan en forma transversal a la capa manteniendo la misma dirección de propagación y no se puede determinar si las grietas son por borde de grano o lo cortan, debido a que pareciera haber dos mecanismos por un lado las grietas por tensiones térmicas y el efecto de la corrosión del níquel.

Figura 8. Crecimiento del grano de Ni en la superficie del recubrimiento en muestra 1. Respecto al cobre, no se observa un crecimiento del tamaño de grano al menos hasta 20 mm de la interface con el níquel (figura 9), el tamaño promedio de grano es de 41 µm.

Figura 9. Estructura del cobre en zona próxima a la capa de Ni. Muestra 2 (zona de menisco agrietada sin desprendimiento de níquel) La muestra presenta las mismas características de la muestra 1, tanto en el aspecto de las grietas como de la estructura en la capa de níquel y el cobre (figura 10). El espesor de la capa de Ni varía entre 1,3 y 1,4 µm.

Figura 10. Aspecto de la capa de Ni agrietada en la muestra 2 a nivel de menisco. Microscopía electrónica muestra 1 En la figura 11 se presenta se presenta una imagen de la interfase níquel cobre de la muestra 1 (a la altura de menisco), los puntos de 1 a 5 indican los lugares donde se realizó el análisis EDS, los resultados se detallan en la tabla 1.


Tabla1. Resultados de los análisis EDS puntuales en muestra 1

Figura 11. Imagen de la zona analizada en muestra 1.

Se puede observar que sobre toda la superficie de la capa de Ni en zona de menisco existe un depósito, un análisis puntual sobre el mismo, refleja que está constituido por Zn, Cd y Pb con Ni y Co revelando la existencia de un proceso corrosivo en la superficie del recubrimiento. En el punto 2, se efectuó un análisis sobre el material de relleno en una grieta del Ni, se puede ver la presencia de los mismos componentes que en el punto 1. Los análisis 3 a 5 presentan valores normales de los materiales base de tanto del Cu y Ni. En la figura 12 se observa una grieta seleccionada para estudiar en detalle, la misma fue analizada en cuatro zonas en el microscopio electrónico.

Figura 12. Grieta seleccionada para estudiar, en la capa de Ni de muestra 1.

En la zona A de la grieta, se realizaron los análisis puntuales detallados en la figura cuyos resultados se presentan en la tabla 2. Se puede ver en los puntos 6 y 7 como el Zn se encuentra difundido en el recubrimiento de Ni, mientras que en 8 es decir en el interior de la grieta solo se halla el material del depósito superficial corrosivo de la capa Ni, compuesto por Zn, Cd y Pb. Se puede observar como a medida que se desciende en la misma, en el interior el % de Zn va disminuyendo y el de Cd y Pb aumentando (punto 9), también se aprecia como la zona en la cual el Zn está difundida en el Ni se va achicando hacia el centro de la grieta (puntos 11 y 10).

Análisis (Nº) Pb (%) Cd (%) Co (%) Ni (%) Zn (%) Cu (%) 1 4,1 24,4 2,9 6,6 62,0 - 2 15,0 21,8 1,9 5,6 55,8 - 3 - - 28,8 71,2 - - 4 - - 27,9 72,1 - - 5 - - - - - 100

A

B

C

D


Análisis (Nº) O (%) Pb (%) Cd (%) Co (%) Ni (%) Zn (%)

6 - - - 4,4 10,8 84,9 7 - 7,4 7,3 3,0 6,3 76,0 8 36,5 10,3 14,6 - - 38,5 9 9,4 35,0 9,2 - 2,6 43,8 10 - - - 4,6 14,5 80,9 11 - - - 5,0 14,3 80,6

Tabla 2. Resultados de los EDS en la zona A de la muestra 1.

Figura 13. Análisis puntuales en zona A de la muestra 1.

En la figura 14 se presenta un mapeo de los elementos analizados en la zona A de la grieta, permitiendo corroborar la distribución de cada uno de ellos, comentada en el párrafo anterior.

Figura 14. Mapeo correspondiente a la zona A de la muestra 1. En la figura 15 y tabla 3 se presenta el análisis de la zona B de la grieta y los resultados de los EDS puntuales.

Figura 15. Imagen de la zona B de la grieta en muestra 1.

Cd Co

Ni ZnNi Pb


Análisis (Nº) Pb (%) Cd (%) Co (%) Ni (%) Zn (%) 12 2,0 51,8 18,0 26,2 2,1 13 2,6 6,0 75,7 15,8 - 14 4,1 80,0 - 15,9 - 15 35,7 34,7 - 3,0 26,7 16 12,8 72,1 - 15,1 -

Tabla 3. Resultados de los EDS realizados en zona B de la grieta en muestra 1.

d

Figura 16. Mapeo de los elementos presentes en zona B de la grieta en muestra 1. Los análisis puntuales reflejan como el Zn va desapareciendo a partir de la mitad de la grieta en esta zona, permaneciendo solo Cd y Pb en el interior. En la figura 17 se presenta la zona C de la grieta y en la tabla 4 los análisis puntuales en dos fases encontradas en el interior, una con porcentajes similares de Cd y Pb y la otra en la cual existe Pb junto con Ni corroído.

Análisis (Nº) Pb (%) Cd (%) Co (%) Ni (%) 17 6,0 9,1 27,1 57,8 18 69,8 - - 30,2

Tabla 4. Resultados de los EDS realizados en la zona C de la grieta.

Figura 17. Imagen de la zona C en la grieta de muestra 1.

Figura 18. Mapeo de los elementos presentes en la zona C de la grieta. En la figura 19, se puede ver la zona D en la cual la grieta penetra en el cobre, los resultados de los análisis EDS de la tabla 5 y el mapeo de la figura 20, permiten observar las diferentes fases presentes en el interior de la grieta, compuestas básicamente de diferentes combinaciones Pb, Cd, Ni o Cu.

CdPb

17

18

Cd Co Ni Pb

ZnNi


Figura 19. Imagen de la zona D de la grieta.

Análisis (Nº) Pb (%) Cd (%) Co (%) Ni (%) Cu (%)

19 6,6 47,1 25,5 20,9 - 20 6,9 83,4 - 9,7 - 21 - 66,8 - 21,1 12,1 22 - 74,9 - 17,1 8,0 23 - 80,7 - 4,2 15,1 24 4,3 76,0 - - 19,7 25 - 77,9 - - 22,1

Tabla 5. Resultados de los análisis EDS de la zona D de la grieta.

Figura 20. Mapeo de la zona D de la grieta. Análisis de resultados

La observación directa de la placa da cuentas de un desprendimiento localizado del Ni a la altura del menisco. La evaluación del perfil de dureza a lo largo de toda la placa indica que existe un ablandamiento entre el la zona de la placa superior donde no hay contacto con el acero y el extremo inferior, dicho fenómeno se acentúa a nivel menisco coincidente con el área afectada por desprendimiento del recubrimiento de Ni, en esa zona la dureza disminuye un 60% respecto a la dureza en la zona superior. Este resultado es consistente con el incremento de tamaño de grano determinado en el espesor de la capa de Ni en la zona del problema donde el tamaño de grano del Ni en la superficie es el doble que el tamaño a 100 mm de profundidad. Esto justifica el ablandamiento por recristalización del recubrimiento. La estructura del cobre no presenta variaciones relevantes en cuanto al tamaño de grano. Resultados similares fueron determinados en informes previos [1, 2]. La zona con desprendimiento del Ni presenta cuarteo y grietas profundas que inician su propagación desde la superficie del recubrimiento hacia el interior, llegando en muchos casos a producir grietas incluso en la placa de cobre o desprendimientos del níquel. Tanto la muestra extraída de la zona más comprometida (zona con pérdida del Ni) y la muestra extraída de la zona del menisco (en partes donde no hubo desprendimientos del recubrimiento), se observaron gran cantidad de grietas que se ocasionan principalmente por tensiones térmicas. Se observó además un depósito sobre toda la capa de Ni y en el interior de las grietas compuesto principalmente por Zn, Cd y Pb además de contenidos de Ni y Co provenientes de la placa, este hecho demuestra un proceso de corrosión de la capa debido a que la mayoría de las fases que se formarían combinando cada uno de los tres

Cd Ni

Ni Pb Cu

19 20

21

22

23 24

25


elementos con el Ni, serían fases líquidas a la temperatura de proceso a nivel de menisco 1400/1500ºC (Ver figura 21). En todas las grietas se pudo comprobar que en su interior están rellenas con un material cuya composición coincide con la del depósito superficial, aunque con porcentajes variables a medida que se avanza en la profundidad de la grieta. Respecto al mecanismo, tanto el Zn, Cd y Pb, presentan elevada presión de vapor, esto hace que a las temperaturas presentes en el molde, difundan desde el acero en fase gaseosa, depositándose en la superficie de la capa de Ni [3], Existen antecedentes bibliográficos que reportan los efectos del Zn en placas de molde, remarcando que con solo 30 ppm de Zn en el acero es suficiente como para ocasionar el daño a lo largo de una campaña. Por otro lado, en un estudio realizado por KME en una placa de Ternium Siderar en el 2004, se reportó la presencia de Cd en el interior de la grieta [5].

Figura 21. Diagramas binarios Ni/Pb, Ni/Zn y Ni/Cd

Es importante destacar que existen antecedentes [6] de compañía que modificaron el recubrimiento de Ni de la placa de molde con buenos resultados, las mismas se llevaron a cabo variando la aleación base Ni, según los requerimientos de cada zona de la placa. A nivel de menisco, zona en la cual se generan el agrietamiento por fatiga térmica, se utilizó una aleación de alta ductilidad, y en la zona inferior una aleación de mayor dureza para resistir el desgaste debido al roce con el planchón.

CONCLUSIONES

La evaluación del perfil de dureza a lo largo de toda la placa indica que existe un ablandamiento a lo largo de la misma, siendo esto más acentuado en la zona de menisco, debido a un crecimiento de grano por recristalización. Las grietas presentes en la capa del recubrimiento de níquel presentan un mecanismo de formación como consecuencia de tensiones térmicas. Se determinó la presencia de un depósito corrosivo compuesto por Zn, Cd y Pb sobre la superficie y en el interior de las grietas, que genera la formación de fases líquidas con el Ni penetrando hasta el Cu que en las condiciones térmicas reinantes en el molde, facilita el desprendimiento de los trozos de níquel cuarteados. La incorporación de Zn, Cd y Pb en la capa de Ni, podría explicarse en la elevada presión de vapor de los mismos, hecho por el cual permitiría que difundan desde el acero líquido al níquel en forma gaseosa.


REFERENCIAS [1] “Estudio post mortem de una placa lateral de molde” – ACE 00 095 / E – M. Dziuba – IAS – Octubre de 2000. [2] “Estudio post mortem de una placa lateral de molde” –PRO 06 143/ A. Martín, E. Brandaleze–IAS–Junio 2006. [3] “Evaporation Rate of Zn in Liquid Iron”. Hino, Wang, Nagasaka. ISIJ Vol 34 (1984) Nº6 pp 491/497. [4] “Advanced Mould Technology”. Catalogo de KME. [5] Laboratory report – Heavy cracking in the AMC – HN 40 coating of narrov-face mould plates - Drde/Hemschemeier/1930 – August 2004. [6] “Failure of Ni Coating on a Copper Mold of a Slab Caster”. J. Pandey, M. Raj, R. Mishra. J. Fail. Anal. And Prevent. (2008).

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