YASSI ÜRÜNLERDE GÖRÜLEN ÇİZGİSEL VE LAMİNASYON TİPİ KUSURLARIN KARAKTERİZASYONU
Yük.Müh. Yasemin KILIÇ
1, Yük.Müh. Özlem B. ÇÖMETEN
2,
Dr. Oğuz GÜNDÜZ
3, Dr. Gökhan ERDEM
4, Yük. Müh. Cengiz ŞAHİNTÜRK
51
Ereğli Demir ve Çelik Fab. T.A.Ş. Posta Kodu 67330 Kdz. Ereğli Tel: (372) 329 5108 E-posta: ykilic@erdemir.com.tr
2
Ereğli Demir ve Çelik Fab. T.A.Ş. Posta Kodu 67330 Kdz. Ereğli Tel: (372) 329 3851 E-posta: obaydar@erdemir.com.tr
3
Ereğli Demir ve Çelik Fab. T.A.Ş. Posta Kodu 67330 Kdz. Ereğli Tel: (372) 329 3639 E-posta: ogunduz@erdemir.com.tr
4
Ereğli Demir ve Çelik Fab. T.A.Ş. Posta Kodu 67330 Kdz. Ereğli Tel: (372) 329 3926 E-posta: gerdem@erdemir.com.tr
5
Ereğli Demir ve Çelik Fab. T.A.Ş. Posta Kodu 67330 Kdz. Ereğli Tel: (372) 329 3354 E-posta: csahinturk@erdemir.com.tr
Özet: Yassı ürün yüzey kusurları üretim akışının herhangi bir aşamasında oluşarak nihayetinde tanımlanması zor çizgisel kusurlar şeklinde kendini gösterebilmektedir. Özellikle katma değeri yüksek ürünler üreten galvanizleme veya teneke hatları çıkışındaki kusur tiplerinin ayırt edilmesi daha da zor olmaktadır. Kusur tipinin doğru olarak karakterize edilememesi durumunda, kusur oluşum nedeni tam olarak belirlenememekte ve bu doğrultuda yapılacak önleyici çalışmaların gecikmesine neden olmaktadır. Bu çalışmada sistematik bir yaklaşım kullanılarak sac yüzeyindeki çizgisel ve laminasyon tipi kusurlar tanımlanmıştır. Bu nedenle kusurların üretim sürecinin hangi aşamasından kaynaklanmış olabileceği ve/veya oluşum mekanizmaları tespit edilerek kusurların tekrarlanmasının önlenmesi için doğru geribildirim yapılması ve gerekli tedbirlerin alınması amaçlanmıştır.
Anahtar sözcükler: Çizgisel kusurlar, laminasyon kusurları, kusur karakterizasyonu,
1. GİRİŞ
Sıcak ve soğuk ürünlerde görülen çizgisel görünümlü yüzey kusurları çelik üretim, sürekli döküm, skarf, slab ısıtma, sıcak haddeleme, soğuk haddeleme gibi yassı çelik üretiminin herhangi bir aşamasında oluşmakta ve tanımlanması zor bir görünümle kendini nihai ürün üzerinde göstermektedir. Kalite ve ürün özelliklerinin kontrolü dikkate alındığında bu tip yüzey kusurları özellikle otomotiv ve beyaz eşya çelikleri gibi katma değeri yüksek ürünlerde oldukça önemli olmaktadır. Bu nedenle nihai ürün kalitesini yükseltmek ve bu kusurları önlemek için kusur kaynağının doğru tespiti oldukça önem taşımaktadır.
Bu kusurların oluşum nedenleri tamamen farklı olmasına rağmen ara ve/veya nihai üretim hatlarında görünümleri birbirleriyle kolaylıkla karıştırılabilmekte ve gerekli tedbirlerin alınmasında yanlış yönlendirmelere neden olmaktadır. Şekil 1’de soğuk ürünlerde görülen çizgisel ve laminasyon kusurlarının genel görünümleri verilmiştir. Bu tip kusurlar nihai üründe ciddi ürün ve kalite kayıplarına neden olmaktadır.
Bu çalışmada, ERDEMİR üretim hatlarında görülen çizgisel ve laminasyon karakterindeki kusurların kaynaklarının doğru tespitine yönelik olarak, kusurları temsil eden numune toplama, literatür çalışmaları ve numune incelemeleri özetlenmiş ve bu kapsamda bir sistematik oluşturulmuştur.
2. İNCELEME ÇALIŞMALARI
Kusurların önlenebilmesi için öncelikle kusur kaynağının doğru olarak tespit edilmesi gerekmektedir. Çizgisel ve laminasyon tipi kusurlar çelik üretimden başlayarak, sıcak haddeleme, soğuk haddeleme prosesleri ve bu ana prosesler arasındaki aşamaların herhangi birinden kaynaklanabilir.
Bu kaynakların her biri kusurun üstten veya kusurun kesitine yapılan inceleme şekline göre bazı tipik karakteristik özellikler gösterirler. Değişik hat çıkışlarında görülen kusurlardan alınan numuneler üzerinde Optik Mikroskop ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) teknikleri kullanılarak yapılan metalografik incelemelerle kusur karakteristiği belirlenebilmektedir. Bu yaklaşım dünyada diğer büyük demir çelik üreticileri tarafından da kullanılmaktadır [1].
Genelde çelik üretim kaynaklı kusurların büyük çoğunluğu metalik olmayan kalıntılar içerdiğinden kusurun karakterini belirlemek nispeten daha kolay olmaktadır. İnceleme sonucunda elde edilen SEM-EDS analiz sonuçlarının izleri takip edilerek kök nedenlere ulaşılabilmektedir. Demir oksit içeren çizgisel ve laminasyon kusurlarına yapılan incelemelerde 3 tip karakteristik yapının mevcut olduğu belirlenmiştir.
Tip A. sadece demir oksit içeren kusurlar
Tip B. demir oksit ile beraber bir iç oksitlenme yapısı içeren kusurlar
Tip C. demir oksit ve dekarbürizasyon yapısı içeren kusurlar
Havada ısıtılan çeliğin dış yüzeyinde bir tufal tabakası oluşur, bu tufal tabakasının altında da tane sınırları boyunca veya tane içlerinde ince bir tabaka küçük oksitler meydana gelir. Oluşan bu yapı iç oksitlenme olarak adlandırılmaktadır. Tufal altı tabakası genellikle, ısıtma sıcaklığının 800-1050ºC aralığında olması durumunda maksimum nüfuz derinliğinde belirgin bir sınır çizgisine sahiptir. Ancak bu sınır çizgisi 1200˚C sıcaklığına ısıtılan çeliklerde görülmez. İç oksitlenme sonucu oluşan küresel oksitler, çelik kompozisyonuna bağlı olarak genelde FeO, MnO, SiO2 ve Cr2O3’tür. Bazen oluşum şartlarına bağlı olarak Al2O3, TiO2 ve CaO’de içerebilir. İç oksitlenme derinliği; oksijen ve oksitlenen elementin çelik içindeki difüzyon hızına bağlı artar veya azalır.
Ayrıca iç oksitlenme derinliği çeliğin kimyasal bileşimine bağlı olarak da değişebilmektedir. Malzemenin ısıl geçmişi oluşan küresel iç oksitlerin boyutlarını doğrudan etkilemektedir. Örneğin sıcaklık 800ºC’ dan 1200ºC’a artarken oluşan küresel oksit inklüzyonlarının çapı 0’dan 0,6µm’ye artmaktadır. Nispeten daha iri oksit çapları iç oksitlenmenin yüksek sıcaklıklarda oluştuğunun tipik göstergesidir.
İç oksitlenme oluşumunun en temel özelliği genelde yüksek sıcaklık, yüksek oksijen konsantrasyonu ve uzun sürelerin birlikte olduğu koşullara maruz kalmış kusur içeren malzemelerde görülmesidir. Bu süreç şerit üretiminde sürekli döküm kalıbından başlayarak sıcak haddelemenin kaba haddelemeye kadar olan aşamalarını kapsar. Tip A kusurları genellikle 1100ºC’ın altındaki sıcaklıklarda oluştuğundan bu tip kusurlar sıcak haddeleme prosesiyle ilişkilendirilirler. Tip B kusurları ise daha ziyade 1100ºC’
ın üzerindeki sıcaklıklarda oluşur. Bu nedenle bu kusurlar çelik üretim, slab ısıtma fırını ve kaba haddelemenin ilk aşamalarıyla ilişkilendirilmektedir. Şekil 2’de Tip B kusurunun şematik oluşum mekanizması verilmiştir. Bu yapılardan farklı olarak Tip C’ de ise sadece kusurlu bölgede lokal bir dekarbürizasyon yapısı bulunmaktadır.
Bahsedilen oluşum mekanizmaları dikkate alındığında sadece demir oksit yani tufal içeren (Tip A) kusurlar sıcak haddeleme ve haddeleme proses şartları ile beraber, tufal ve lokal dekarbürizasyon yapısı görülen kusurlarda (Tip C) ise sıcak haddeleme slab ısıtma pratikleri ve çelik üretim şartları dikkate alınarak incelenmelidir. Tip B yapısındaki kusurlar ise hem haddeleme hem de çelik üretim şartları açısından araştırmalıdır. Yapılan incelemelerde oluşum şartları mekanizmanın çoğunu izah etmesine rağmen istisnai durumların olduğu haddelemenin daha ileri aşamalarında oluşan bazı malzeme hasarlarında dahi iç oksitlenmelerin görüldüğü literatürde belirtilmiştir [1,2,3]
.
Yapılan incelemelerde makro düzeyde görünümleri oldukça farklı olmasına rağmen mikroskopik görünümleri oldukça benzer çok sayıda kusur görülmüştür. Bu nedenle kusurların oluşum nedenlerinin doğru olarak tespit edilebilmesi için kusurun fiziksel görünümü, boyutları ve şerit üzerindeki yerleşimi son derece önemlidir.
Şekil 1. Soğuk ürün yüzeyinde çizgisel ve laminasyon tipi kusurların örnek görünümleri
3. ÇELİK ÜRETİM KAYNAKLI ÇİZGİSEL VE LAMİNASYON KUSURLARI
Çelik üretim kaynaklı çizgisel ve laminasyon kusurları genelde 1-500cm boylarında ve 0.2-3cm genişliğindedir.
Kusurlar şerit boyuca oluşum nedenine bağlı olarak bir çok farklı şekilde dağılmış haldedir. Köşe çatlağı kaynaklı çizgisel ve laminasyon kusurları ağırlıklı olarak bobinlerin kenarlarında bulunurken, curuf karışması veya döküm tozu kapması sonucu oluşan çizgisel ve laminasyon kusurları şerit yüzeyinde gelişigüzel dağılmış halde bulunurlar. Bu kusurların kesit incelemeleri çok ince bir metal laminasyon tabakası altında demir oksit veya Si, Al, Mg, Na, K, F ve Ca gibi kalıntı oksitlerce zengin kalıntı maddeleri göstermektedir. Bu elementlerin izleri takip edilerek kusur kaynağının curuf karışması, döküm tozu kapması veya refrakter erozyonu olup olmadığı kolaylıkla belirlenebilir.
Özellikle döküm tozu kaynaklı kusurlarda Na, K ve F en belirleyici elementlerdir. Şekil 3’de döküm tozu kaynaklı bir laminasyon kusurunun kesiti ve EDS analiz sonuçları görülmektedir.
Slab çatlağı kaynaklı çizgisel ve laminasyon kusurları ise bir iç oksitlenme yapısıyla beraber sadece demir oksit içerir. Şekil 4’den görüleceği üzere metal tabaka çok sayıda küçük küresel iç oksitler içermektedir. Bu inklüzyonların çoğu FeO, diğer bazıları ise MnO ve SiO2’dir.
Çelik üretim kaynaklı kusurların iç oksitlenme yapısının en önemli göstergesi laminasyon tabakasında ve metal zeminde iç oksitlerin simetrik olarak görülmesidir. Ancak literatürde bu kurala uymayan örnekler de vardır [1,4].
Şekil 3. Çelik üretim kaynaklı kalıntı döküm tozu içeren tipik bir laminasyon kusurunun kesit SEM görüntüsü ve EDS analizi Hematit ( (Fe2O3)
Manyetit ( (Fe3O4) Wustit ( (FeO)
çelik
Wustit (FeO)
100m iç oksit katmanı
İç oksitlenme nüfuz derinliği Hematit
Manyetit Wustit
gaz boşlukları zayıf tane sınırları
. . . : ..
. . ..
: . .
. . : .. . . : : . . . ..
:
. . . . .
... . . : . : . . . .. : . .
. . :
. . . . : .. . . : : . . . ..
: . . . . : .. . . : : . . . ..
:
. . . . : .. . . : : . . . ..
: . .
. . : .. . . : : . . . ..
:
. . . . : .. . . : : . . . ..
: . .
. . : .. . . : : . . . ..
:
. . . . : .. . . : : . . . ..
:
. . . . : .. . . : : . . . ..
:
. . . .. . . . .. : . .
. . : .. . . : : . . . ..
:
. . . . : .. . . : : . . . ..
: . .
. . :
. . .. . . . . . . .
Haddeleme yönünde çatlağın uzaması
Şekil 2. Demir oksit+iç oksitlenme içeren çizgisel ve laminasyon tipi kusurların oluşum mekanizması [2]
C Ca Ca O Fe
F Fe
Na Al
Si Ca
Ca Fe
Fe
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Full Scale 260 cts Cursor: 0.000 keV keV
Full Scale 260 cts Cursor: 0.000 keV keV
Full Scale 260 cts Cursor: 0.000 keV keV
Şekil 4. Çelik üretim kaynaklı tipik bir laminasyon kusurunun kesit SEM görüntüsü ve iç oksitlerin EDS analizi
4. SICAK HADDEHANE KAYNAKLI ÇİZGİSEL VE LAMİNASYON KUSURLARI
Sıcak haddeleme kaynaklı çizgisel kusurlar kaba haddeleme yani başlangıç işlemlerinden gelebileceği gibi sıcak
haddelemenin son aşamalarından da
kaynaklanabilmektedir. Kaba haddeleme kaynaklı çizgisel kusurlar genellikle şeritin kenarlarında 0.5-3cm.
uzunluğunda ve 0.2-1cm. genişliğinde görülmektedir. Bu kusurlar kesit incelemelerinde metal katmanı altında demir oksit içerirken çoğu zaman katmanlı bir görünüm sergilemektedir (Şekil 5). Sıcak haddelemenin ilk kademelerinde gerçekleşen kaba haddeleme kaynaklı kusurlar çoğu zaman iç oksitlenme içermektedir.
Sıcak haddelemenin sonraki kademelerinde ve haddelenmiş tufal şeklinde kendini gösteren çizgisel kusurlar da kaba hadde kaynaklı kusurların boyutlarındadır fakat bu kusurlar şerit yüzeyinin bir çok yerinde dağınık şekilde görülmektedir. Bu kusurların kesit incelemelerinde çelik yapı içerisinde kalmış ve haddelenmiş durumda tufal (Şekil 6) ya da batık durumda iri tufal parçaları (Şekil 7) tespit edilmektedir. Bu tip kusurlar sıcak haddelemenin son aşamalarında meydana gelen bir hasarlanmadan kaynaklanabileceği gibi şerit hadde ya da masa merdanelerinde biriken tufalin şerit üzerine geçerek haddelenmesi sonucunda da oluşabilmektedir. Sıcak haddelemenin son aşamalarında oluşan bu kusurlarda oksijen difüzyonu için yeterli olmayan sıcaklık ve süreler söz konusu olduğundan iç oksitlenme görülmemektedir.
Şekil 5. Kaba hadde kaynaklı tabakalı yapıdaki kusurun SEM görüntüsü ve kusur içindeki tufalin EDS analizi
Şekil 6. Yüzey altında haddelenmiş tufalin kesit SEM görüntüsü
Şekil 7. Şerit yüzeyinde kaba tufal kalıntılarının kesit SEM görüntüsü
Slab fırını kaynaklı kusurların (skid merdane izleri, fırın içinde meydana gelen hasarlanma ve çizikler, fırından çıkış hasarları) incelemelerinde de iç oksitlenme görülebilmektedir. Fakat bu kusurlar mikroskobik olarak çok benzerdir ve birbirinden ayırt edilmesi zor olduğundan kusurun şerit üzerindeki fiziksel görünümü ve yeri dikkate alınarak yorumlanmalıdır. Şekil 8’de bu tip kusura bir örnek gösterilmiştir [1,4].
Şekil 8. Slab fırını kaynaklı bir hasarlanmanın kesit SEM görüntüsü
5. SOĞUK HADDEHANE KAYNAKLI ÇİZGİSEL VE LAMİNASYON KUSURLARI
Asitleme veya soğuk haddeleme gibi işlemler sırasında mekanik olarak sürtme ve hasarlanma nedeniyle oluşan bu çizgisel kusurların uzunluklar 1-2 cm. iken, uzunluk/genişlik oranı 4 civarındadır. Bu kusurların kesit incelemelerinde (Şekil 9), kusur içinde demir oksit bulunmazken haddeleme yağı, solüsyon gibi organik esaslı kalıntılar tespit edilmiştir [1,4].
Şekil 9. Soğuk haddehane kaynaklı kusurun kesit SEM görüntüsü
6. SONUÇLAR
1. Nihai ürünlerde gözlemlenen çizgisel ve laminasyon kusurları görünüm olarak birbirlerine benzemesine rağmen mikro yapıları oluşum mekanizmasına bağlı olarak bazen büyük oranda benzerlik gösterirken bazen de çok farklı yapılar sergilemektedir. Bu nedenle çizgisel ve laminasyon tipi kusurların sadece görsel olarak değerlendirilmesi kusur kaynağının doğru tespitinde yetersiz kalmaktadır. Yapılan bu çalışmada görsel kontrollere ilaveten metalografik inceleme ve SEM-EDS analizleri kullanılarak sistematik bir yaklaşım oluşturulmuştur.
2. Çelik üretim kaynaklı metalik olmayan kalıntıları içeren kusurlar içerdikleri kalıntı element analizleri kullanılarak kusur kaynakları belirlenebilmektedir.
3. FeO içeren çizgisel ve laminasyon tipi kusurların kesit incelemelerinde 3 tip mikroyapı belirlenmiştir. Buna göre sadece demir oksit içeren Tip A kusurları sıcak haddeleme proses şartlarıyla ilgiliyken, yüksek sıcaklıklarda oluşan demir oksit +iç oksitlenme yapısı çelik üretim veya sıcak haddelemenin ilk aşamalarıyla (slab fırını +kaba hadde) ilişkilidir. Bu kusur yapısı Tip B olarak bu çalışmada sınıflandırılmıştır. Ayrıca çelik cinsine bağlı olarak sadece yüksek sıcaklıklarda oluşan ve Tip C olarak sınıflandırılan dekarbürizasyon yapısı ise hem sıcak haddeleme ve slab ısıtma hem de çelik üretim koşullarıyla ilişkili olduğu belirlenmiştir.
4. Kusur kesiti incelemelerinde herhangi bir kalıntı (metalik olmayan inklüzyon ve tufal) tespit edilmediği durumlarda kusur asitleme/soğuk haddeleme prosesinden kaynaklanmaktadır.
5. Uzun süren numune toplama ve inceleme çalışmaları sonucunda elde edilen sonuçlardan bir kusur değerlendirme akım şeması AISI’ nin (American Iron and Steel Institute) yaptığı çalışmalar baz alınarak Erdemir için oluşturulmuştur (Şekil 10).
7. KAYNAKLAR
[1] W.H. Emling, B.V. Lakshminarayana “An AISI- Sponsored Collaborative Project on FeO-Type Sliver Defects” Iron and Steelmaker, Sayı 5, 2000, s- 73-77 [2] S. Moir, J. Preston “Surface Defects-Evolution and Behaviour from Cast Slab to Coated Strip” Journal of Materials Processing Tech., Sayı 125-126, 2002, s-720-724 [3] W.P. Barker “The Prevention of Steelmaking Source Iron Oxide Defects” Steelmaking Conference Proceedings, 1992, s-549-555
[4] K. Cameron, S. Cameron, B. Nelson “Conrolling the Occurrence of Sliver Defects at Dofasco” 37th MWSP Conference Proceedings, 1996, s-23-29
Şekil 10. Sıcak ve soğuk ürünlerde görülen çizgisel ve laminasyon kusurların inceleme sistematiği (07.04.1999 tarihli AISI FeO Sliver Ad Hoc Alt Komitesi’ nin çalışması baz alınarak oluşturulmuştur)
