As trincas superficiais transversais ocorrem no centro da face larga ou nas quinas da placa (Figura 3.10), geralmente ao longo da base das marcas de oscilação (Figura 3.11). As trincas de quina podem apresentar-se de 3mm a 30mm de comprimento e de 1mm a 10mm de profundidade. Em geral elas surgem na face relativa ao raio interno nas máquinas curvas, as quais apresentam somente regiões de desdobramento da placa. Por outro lado, essas trincas podem ocorrer em ambas as faces nas máquinas verticais curvas, as quais possuem regiões de dobramento e desdobramento da placa.
Figura 3.11 - Seção longitudinal da placa com trincas superficiais transversais na base das marcas de oscilação.
Para compreender como as trincas superficiais surgem, deve-se entender o conceito de faixas de fragilidade em função da temperatura.
De acordo com Suzuki et al.[14],existem três regiões de fragilidade em função da temperatura, conforme Figura 3.12.
Região I – Fragilização a altas temperaturas (~ 40°C abaixo de T solidus); Região IIa – Fragilização devido a partículas de segunda fase (Mn, Fe)S;
Região IIb – Fragilização devido a partículas de segunda fase Nb(CN), AlN, V(CN); Região III – Fragilização devido à transformação de fase austenita-ferrita.
Trincas na região I são relacionadas fundamentalmente à estrutura dendrítica colunar primária. Essas trincas usualmente estão preenchidas por um aço líquido rico em soluto (segregação ou ghost lines) e assim, são denominadas intercolunares. Nas regiões II e III as trincas são comumente associadas a grãos de austenita grosseiros, devido a profundas marcas de oscilação e depressões superficiais fortes no veio, que reduzem a taxa de resfriamento local.
De acordo com Harada[15], a trinca transversal pode ser formada da seguinte forma (Figura 3.13): primeiramente há uma segregação na linha do menisco; este provoca um atraso na solidificação na marca de oscilação; na região do atraso da solidificação aparece uma trinca interna na casca em solidificação mais fina; ao longo da marca de oscilação surge uma pequena trinca simétrica à trinca anterior que pode se propagar por causa de um resfriamento secundário não uniforme e/ou do abaulamento da casca em solidificação devido à pressão ferrostática que a casca tem de suportar sem o auxílio das paredes do molde; posteriormente há o crescimento da trinca devido às tensões do endireitamento nos intervalos de temperatura de baixa ductilidade.
Evidências da presença de segregação na base das marcas de oscilação e de elementos oriundos de pó fluxante sugerem, no entanto, que essas trincas podem ser formadas nos instantes iniciais da solidificação da placa no molde. Posteriormente, quando submetidas aos esforços de tração e aos mecanismos de fragilização nas temperaturas de dobramento ou desdobramento, elas se propagariam.
As marcas de oscilação acentuadas ocorrem principalmente nos aços com teores de carbono na faixa de 0,1% a 0,17% (aço peritético), cuja pele formada no menisco se contrai fortemente, o que dificulta um contato uniforme com as paredes do molde. Na base das marcas de oscilação, na qual as trincas transversais faciais se originam, ocorre frequentemente uma segregação de soluto e, além disso, o grão austenítico é bastante grosseiro, em virtude do resfriamento lento presente nessa região. Assim, essa base é bastante susceptível à ocorrência de fratura, devido à concentração de tensão nos contornos de grão austeníticos.
A Figura 3.14 ilustra uma marca de oscilação e exemplos de microestruturas, mostrando a presença de segregação e de microtrincas devido à segregação.
Figura 3.14 - (a) Definição da profundidade da segregação e da marca de oscilação, característica da marca de oscilação (71); (b) Exemplos de trincas superficial e
subsuperficial devido à segregação na marca de oscilação[16].
Figura 3.14 - (a) Definição da profundidade da segregação e da marca de oscilação, característica da marca de oscilação (71); (b) Exemplos de trincas superficial e
Geralmente, a principal causa para trincas transversais é reconhecida como uma fragilização local devido à precipitação dinâmica nos contornos de grão da austenita, induzida pela deformação do veio (endireitamento) no intervalo de temperatura crítica. A precipitação é acelerada pela formação de ferrita pró-eutetoide a qual reduz a solubilidade do C e N e aumenta a difusividade desses elementos[17,18].
Como demonstrado na Figura 3.15, microvazios se formam em volta das partículas (AlN) existentes no contorno de grão, coalescem durante o progresso da deformação e evoluem para trincas. Nos aços contendo Nb, a descoesão dos grãos é então aumentada por partículas de NbC muito finas precipitadas dentro dos grãos, que elevam a resistência da matriz e permitem a concentração da deformação nos contornos de grão, com formação de trincas já acima de Ar3 (temperatura na qual a austenita começa a se transformar em ferrita durante o resfriamento).
Essas observações sugerem que as trincas são formadas por tensão de tração aplicada na superfície da placa, associada com mecanismo de fragilização que ocorre nos contornos de Figura 3.15 - Esquema mostrando a formação das trincas transversais em aço microligado ao
Nb com a coalescência de vazios e crescimento do contorno de grão da austenita (a-c), e no intervalo de duas fases γ→α em (d-f)[17].
Durante o dobramento e desdobramento da placa, tensões axiais são introduzidas à pele solidificada da placa. Na etapa de dobramento, tensões trativas são induzidas na superfície inferior da placa e tensões compressivas, na superfície superior. Já no desdobramento, os estados de tensões são invertidos.
A Figura 3.16 representa esquematicamente as tensões trativas e compressivas durante o dobramento e desdobramento da placa de aço no processo de lingotamento contínuo.
Conforme já observado, a marca de oscilação profunda é um fator muito crítico para ocorrência das trincas transversais de quina. Essas marcas podem ser reduzidas pela diminuição do tempo de estripamento negativo, conseguido, principalmente, pelo aumento da frequência de oscilação e/ou pela redução da amplitude de oscilação[19], conforme Figura 3.17. A quantidade de defeitos aumenta muito em baixas velocidades de lingotamento, devido à direção comum de sincronização de velocidade com a frequência de oscilação, ou seja, baixa frequência (e alto estripamento negativo) em baixas velocidades.
Figura 3.16 - Representação esquemática das tensões trativas e compressivas durante dobramento e desdobramento da placa de aço no processo de lingotamento contínuo[17].
As medidas de maior sucesso em operação nas usinas para diminuir as trincas sem melhorar a solidificação inicial são realizadas através da aplicação de resfriamento secundário muito brando para manter a temperatura do veio acima da temperatura de baixa ductilidade[20].
As bordas das placas durante o lingotamento são particularmente susceptíveis à ocorrência de trinca, pois a água em excesso tende a escorrer para lá, provocando demasiado resfriamento superficial localizado. Enquanto a dissipação de calor que ocorre nas faces maiores é unidimensional, nas bordas ela se dá pelas faces maiores e estreitas do veio. Diante disso constata-se que o resfriamento das bordas é mais severo do que o observado nas faces maiores e, por isso, trincas transversais nas quinas ocorrem com maior frequência do que trincas superficiais nas faces largas.
Em estudo realizado[21], foi mostrado o efeito da intensidade de resfriamento secundário na ductilidade a quente, sendo constatado que baixas intensidades de resfriamento garantem ductilidades a quente mais altas no ponto mais sensível ao trincamento fora do molde (região de desdobramento), reduzindo, assim, a tendência de formação e crescimento das trincas superficiais.
Figura 3.17 - Correlação entre o tempo de estripamento negativo e (a) a profundidade das marcas de oscilação e (b) as trincas transversais em placas de lingotamento contínuo de aços
desencurvamento não seja feito na faixa crítica de temperatura (700ºC a 900ºC). Portanto o aumento da temperatura superficial (acima de 900ºC) imediatamente antes do ponto de desencurvamento pela redução do resfriamento tem sido uma ação importante para redução das trincas transversais.
Por outro lado, existem esforços para se efetuar o desencurvamento abaixo de 700ºC, o intenso resfriamento secundário seria mais seguro de se realizar, por favorecer a sanidade interna do produto[22]. Apesar disso, a alta intensidade de resfriamento secundário requer cuidados muito maiores na uniformidade do resfriamento, o que desencoraja sua aplicação, mesmo com as vantagens de reduzir a manutenção da máquina de lingotamento devido à menor formação de carepa e à maior vida de seus componentes. Entretanto, no caso de altos requisitos de sanidade interna, possivelmente, em conjunto com altas velocidades de lingotamento, o resfriamento secundário intenso é obrigatório, o que, então, força a uma melhora na estabilidade da operação do molde em favor da ausência de defeitos iniciais na casca formada e na qualidade da superfície[23].
Em estudos práticos realizados, foram observadas as influências de alguns elementos químicos na ocorrência de trinca transversal de quina em placas de aço lingotadas. Foram avaliadas 228 placas de um aço baixo carbono microligado, lingotadas numa mesma máquina de lingotamento, mesmo pó fluxante e mesma curva de resfriamento secundário. A influência do teor de enxofre e nitrogênio do aço e o produto Al*N foram investigados quanto à ocorrência de trinca após uma leve escarfagem na placa[24].
A Figura 3.18 mostra a ocorrência de trinca em relação ao teor de enxofre na placa. Identificaram-se maiores ocorrências de trincas com teores de enxofre mais elevados. A explicação para o mecanismo proposto é de que o enxofre livre segrega para as superfícies internas das microcavidades e que este, como elemento ativo, facilita o crescimento de microvazios e promove o coalescimento[24].
A influência do nitrogênio (N) foi avaliada (Figura 3.19) somente com as placas com teores de enxofre abaixo de 30ppm. Foi possível identificar que placas com baixos teores de nitrogênio apresentaram baixas ocorrências de trincas e que, no caso de teores desse elemento acima de 50ppm, mais de 50% delas tiveram trincas nas quinas. A enorme influência de N em trincas transversais resulta da precipitação de carbonitretos durante a solidificação e resfriamento da placa[24].
A Figura 3.20 mostra a influência do produto Al*N no surgimento de trinca. Pode-se observar Figura 3.18 - Influência do teor de S na ocorrência de trinca em placa.
baixo volume de placas nessa condição e por que essas duas placas apresentaram uma relação Ti/N menor que 3.6, que é um valor considerado baixo para se evitar trincas.
Com relação à formação das marcas de oscilação, pode-se dizer que sua profundidade está relacionada ao escoamento turbulento próximo ao menisco, à flutuação do nível do menisco, às baixas temperaturas do menisco, à composição química do aço, às baixas frequências de oscilação do molde e à utilização de pó fluxante com viscosidade excessivamente alta ou baixa[25].
A força de fricção com o molde, a conicidade inadequada, o desalinhamento entre o molde e o veio, as tensões térmicas na saída do molde, devido à refrigeração com “sprays”, causam a formação de trincas ao longo do contorno de grão da austenita e na base das marcas de oscilação em que as tensões se concentram[25].
A otimização da viscosidade do pó fluxante e da oscilação do molde, visando reduzir a profundidade das marcas de oscilação (<0,2mm), associada a uma manutenção adequada da máquina de lingotamento contínuo, principalmente o alinhamento dos rolos e o controle dos “sprays”, é crucial na redução da formação das trincas transversais, assim como o ajuste do modelo de água para objetivar temperaturas na superfície da placa fora das temperaturas de baixa ductilidade do aço, na região de dobramento e desdobramento[25].
Figura 3.20 - Influência do produto Al*N na ocorrência de trinca em placa. Figura 3.20 - Influência do produto Al*N na ocorrência de trinca em placa.
N ú m er o d e p la ca s % P la ca s co m t ri n ca s
Número de placas % Placas com trincas
N ú m er o d e p la ca s % P la ca s co m t ri n ca s
Número de placas % Placas com trincas Número de placas % Placas com trincas