HN X REDUCED HOLE CRACKING PLATES USED IN THE ANNEALING FURNACE Andrés Litz (1) Leonardo Boccanera (1) Ezequiel Pasquali (2) Héctor Sbuttoni (2) ABSTRACT This paper analyzes the cracking of the HNx reduced hole plates used in the annealing furnaces of Planta General Savio / Ternium Siderar. Design and material analyses determine different work lines oriented to minimizing / determine the cracking tendency of the plate / material in order to extend the service life and set up criteria for the unavailability of the plates (plates disaffected). FEM (Finite Element Method) analysis, material characterization (chemical analysis by optical emission spectrometry, tensile tests, metallographic examination), performance of different heat treatments, and comparison with literature publication, standards and internal information were carried out. Studies show that problem is related to the material, processing conditions and design. The lower carbon content tends to minimizes carbides precipitation in the grain boundary and the heat treatments enhance the mechanical properties and ductility of the material. FEM analysis allowed estimates the stress state of the plates and stand up to operation conditions. The maximum stress values are in agreement with the slots tip where the cracks are initiated which then lead to collapse of parts and these are in all cases higher than the yield strength of material values. Keywords: stress concentrations, failure analysis, fractography, metallography, finite element, fatigue. Jornada de Análisis de Falla y Prevención | Failure Analysis and Prevention Seminar IAS, 2010, Rosario, Santa Fe, Argentina. 651
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HNX REDUCED HOLE CRACKING PLATES USED IN THE ANNEALING FURNACE
Andrés Litz (1)
Leonardo Boccanera (1)
Ezequiel Pasquali (2)
Héctor Sbuttoni (2)
ABSTRACT
This paper analyzes the cracking of the HNx reduced hole plates used in the annealing furnaces of Planta General Savio / Ternium Siderar. Design and material analyses determine different work lines oriented to minimizing / determine the cracking tendency of the plate / material in order to extend the service life and set up criteria for the unavailability of the plates (plates disaffected). FEM (Finite Element Method) analysis, material characterization (chemical analysis by optical emission spectrometry, tensile tests, metallographic examination), performance of different heat treatments, and comparison with literature publication, standards and internal information were carried out. Studies show that problem is related to the material, processing conditions and design. The lower carbon content tends to minimizes carbides precipitation in the grain boundary and the heat treatments enhance the mechanical properties and ductility of the material. FEM analysis allowed estimates the stress state of the plates and stand up to operation conditions. The maximum stress values are in agreement with the slots tip where the cracks are initiated which then lead to collapse of parts and these are in all cases higher than the yield strength of material values.
(1) Ternium Siderar, Planta San Nicolás C.C.801, (2900) San Nicolás, Argentina. [email protected] / [email protected]. (2) Instituto Argentino de Siderurgia, Av. Central y Calle 19 Oeste, (2900) San Nicolás, Buenos Aires, Argentina. [email protected] / [email protected] .
Jornada de Análisis de Falla y Prevención | Failure Analysis and Prevention SeminarIAS, 2010, Rosario, Santa Fe, Argentina.
FISURACIÓN DE PLACAS HNX DE AGUJERO REDUCIDO PARA HORNOS DE RECOCIDO
Andrés Litz (1)
Leonardo Boccanera (1)
Ezequiel Pasquali (2)
Héctor Sbuttoni (2)
RESUMEN
En este trabajo se analiza la fisuración de las placas HNx de agujero reducido utilizadas en los hornos de recocido de la Planta General Savio de Ternium Siderar. El estudio del material y del diseño permite determinar varias líneas de trabajo orientadas a minimizar / determinar la tendencia a la fisuración de la placas / material con el fin de prolongar la vida en servicio y establecer criterios de indisponibilidad de las placas (retiro del circuito de trabajo). Análisis tensional mediante cálculo por elementos finitos, caracterización de material (análisis químicos por espectrometría de emisión óptica, ensayos de tracción, estudio metalográfico), ejecución de diferentes tratamientos térmicos; búsqueda y comparación con bibliografía, normas y antecedentes propios. Los estudios muestran que el problema esta relacionado con el material, la condiciones de procesamiento y el diseño. El menor contenido de carbono baja la formación de carburos en bordes de grano y los tratamientos térmicos mejorarían las propiedades mecánicas y la ductilidad del material. El análisis mediante cálculo por elementos finitos del estado tensional de las placas permitió estimar los valores de tensión que soportarían las distintas piezas durante la operación, los valores de tensiones máximos se encuentran en coincidencia con las ranuras donde se inician las fisuras que luego llevan al colapso de las piezas y los mismos son en todos los casos superiores a los valores de fluencia del material.
Palabras clave: concentradores de tensiones, análisis de falla, fractografía, metalografía, elementos finitos, fatiga.
OBJETIVO
En este trabajo se analizan las causas raíz de las reiteradas fisuras en las placas base, convectoras y de diámetro reducido de hornos HNx de recocido de Planta General Savio de Ternium Siderar. Se estudia la influencia de aspectos metalúrgicos y de diseño, y se evalúan alternativas de mitigación a través del estudio del material, estado microestructural y tensional con el fin de recomendar acciones a seguir desde el diseño y mantenimiento.
INTRODUCCIÓN
Las placas son colocadas en los hornos de recocido bajo una atmósfera de gas inerte HNx (8% Hidrógeno y resto de Nitrógeno) con ciclos de temperatura que alcanzan aproximadamente 820 °C y las bobinas que son tratadas térmicamente (recocido) alcanzan una temperatura de aproximadamente 720 ºC. El ciclo calentamiento son entre aproximadamente 25 a 43 horas, dependiendo de la carga (material y toneladas) y el de enfriamiento son aproximadamente 60 a 70 hr. La permanencia a temperatura es de 2 a 12 hr dependiendo del material (hojalata o elaborado grueso) y toneladas. El gas que se utiliza es gas de coque para los quemadores principales y gas natural para los pilotos. Los quemadores con sus pilotos se encuentran aproximadamente a media altura alrededor de toda la circunferencia.
Las placas se fisuran en la zona de las ranuras que tienen por diseño, estas fisuras se propagan inutilizando la placa y representando un riesgo para la seguridad ya que las mismas son trasladadas dentro del predio de los hornos de recocido.
(1) Ternium Siderar, Planta San Nicolás C.C.801, (2900) San Nicolás, Argentina. [email protected] / [email protected]. (2) Instituto Argentino de Siderurgia, Av. Central y Calle 19 Oeste, (2900) San Nicolás, Buenos Aires, Argentina. [email protected] / [email protected] .
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Se realizan estudios metalográficos, dureza, composición, propiedades mecánicas; adicionalmente se hace un análisis de tensiones actuantes durante la operación que establece para el entendimiento del comportamiento de las placas durante la operación y permite visualizar las modificaciones necesarias en la forma de las placas.
2. DESARROLLO
Se analizaron las características, similitudes y diferencias de las fisuras en las diferentes placas (base, convectora y de diámetro reducido). La aplicación de elementos finitos revela las diferencias relevantes en el comportamiento de la placa durante la operación. Este estudio muestra y demuestra el comportamiento del material y del tipo de diseño cuando las placas son sometidas a ciclos térmicos, evidenciando que la fisuración de las mismas se daban en aquellos lugares críticos en donde el diseño mostraba elevada concentración de tensiones.
La figura 1a) muestra una placa convectora típica utilizada en recocido. Los ensayos no destructivos permiten determinar el origen de fisuras incipientes (Figura 1b).
a) b) c)Figura 1- a) Placa convectora, b) Ensayo de tintas penetrantes en placas, c) Inspección visual en placas
Figure 1 – a) Convector plate, b) Dye penetrant test on plates, c) Visual inspection on plates
No obstante durante la operación estas fisuras se pueden apreciar a través de una inspección visual como se muestra en la figura 1c) en donde se generan en los extremos de una ranura en una placa de diámetro reducido (a) o de una convectora (b) indistintamente.
3. CARACTERISTICAS DEL MATERIAL
Se confeccionaron probetas metalográficas de las placas y fueron analizadas mediante microscopia óptica (100X-300X) y microscopia electrónica. Las muestras fueron reveladas según los procedimientos recomendados por las normas ASTM.
La observación de la microestructura de la placa analizada muestra una estructura dendrítica de solidificación, formada por granos columnares bastos de austenita con presencia de carburos en borde de grano, tipo M 23C6, Figura 2 a) y b).
a) b)Figura 2 – a) Estructura de solidificación; b) Carburos en borde de grano [1].
Figure 2 – a) Solidification microestructure, b) Grain boundary carbides
La composición química muestra que la placa analizada corresponde a lo especificado (ASTM A 297 Gr HF, Tabla 1).
Tabla 1 – Composición química - ASTM A297 Gr HFTable 1 – Chemical composition - ASTM A297 Gr HF
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Los ensayos mecánicos de tracción mostraron que el material estaba fragilizado como se observa en la tabla 1 (Ensayo de placa sin tratamiento térmico). Los valores de tensión de fluencia (YS) y tensión de rotura (TS) son próximos y el alargamiento es bajo.
4. DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Este material es una aleación de base hierro-cromo-níquel (similar al grado de acero AISI 302/304, pero conteniendo un porcentaje de carbono mayor). El alto tenor de cromo de la aleación le confiere buena resistencia a la oxidación a elevada temperatura y el elevado tenor de níquel y carbono asegurarían una estructura totalmente austenítica.
Como consecuencia a lo mencionado este grado de acero inoxidable fundido es adecuado para aplicaciones que requieren alta resistencia mecánica y a la corrosión a elevadas temperatura, sobre todo en el rango entre 649 °C a 871 °C. Dentro de unos de sus múltiples usos, se menciona expresamente el caso de hornos para tratamiento térmico [3,4].
El material en estado bruto de colada debería presentar una estructura totalmente austenítica, pudiendo contener algunos carburos eutecticos interdendríticos finamente dispersos en la matriz. Si la composición química no esta correctamente balanceada pueden presentarse parcialmente estructuras ferríticas en la condición de bruto de colada, y esos materiales son suceptibles a fragilización por precipitación y formación de compuestos laminares en los bordes de grano [3,4].
El envejecimiento a elevadas temperaturas y, sobre todo cuando el material está sujeto a calentamientos y enfriamientos cíclicos durante el uso, es usualmente acompañado por precipitación de carburos, lo que resulta en una perdida de ductilidad en el material como se ha observado en los valores de las propiedades mecánicas presentados en la tabla 2.
Adicionalmente como metodología de estudio se ha realizado la comparación de las propiedades mecánicas a temperatura ambiente de una probeta de la placa fisurada con probetas a las cuales se les realizó tratamientos térmicos a 1050°C durante 6 horas y diferentes velocidades de enfriamiento. Los resultados se encuentran detallados en la tabla 2.
Tabla 2 - Propiedades mecánicas del material de una placa [1]Table 2 – Mechanical properties of plates
///////////////////////////////////// TS, [MPa] YS, [MPa] E, [%] HB
Usada con fisuras 283,7 282,4 2 240
Recocida 435,6 416,2 2,6 -
Hipertemple 445,4 335,6 11,8 -
Normalizada 562,2 354,9 14,6 -
ASTM A297 Gr HF 485 min 240 min 25 -38 165
Estos ensayos / tratamientos térmicos muestran que el material modifica su microestructura y permiten mejorar sus propiedades mecánicas [2]. Los valores de tabla 1 muestran que las placas originales no se ajustan (al menos la ensayada) a lo especificado por ASTM, no obstante esta observación, su comportamiento en operación revela que sufren una degradación importante de su microestructura en detrimento de sus propiedades mecánicas, especialmente se observa una disminución del alargamiento porcentual y su resistencia a la rotura es próxima a la de fluencia clara indicación del aumento de la fragilidad. La figura 3a) corrobora lo antes mencionado, presentando valores de resistencia a la temperatura del material. Es importante observar los valores de resistencia a temperatura y su correlación con la resistencia al creep (figura 3b) para temperaturas de operación el orden de los 700 °C (1292 °F en el gráfico).
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a) b)
Figura 3 - a) Variación de las propiedades mecánicas del acero fundido ASTM A 297 Gr HF con respecto a la temperatura. b) Propiedades al creep del material [2]
Figure 3 – a) Mechanical properties variation of cast steel ASTM A297 Gr HF vs temperature, b) Creep properties of material
Paralelamente se realiza el análisis tensional de las placas convectoras / base de las planta Gral Savio, incluyendo también las placas de la planta de Ensenada como comparación (difieren en su diseño). Este análisis considera las condiciones de operación del horno en su punto mas desfavorable que es cuanto llega a una temperatura de 710 ºC (Planta Gral Savio).
Los modelos evaluados corresponden a cuatro placas mostradas en las figura 4:
a) b)
c) d)
Figura 4 - a) Placa base. b) Placa convectora 2. c) Placa diámetro reducido. d) Placa Ensenada [2].Figure 4 – a) Base plate, b) Convector plate, c) Reduced diameter plate, d) Ensenada plate
A todas las placas se las simuló en su peor condición de carga (de acuerdo a lo que sucede en Planta Gral Savio). Un detalle mayor de las condiciones de carga y de simulación pueden ser encontrados en el informe LAB 08 1262 [2].
Para la Placa diámetro reducido (Planta Gral Savio) los resultados encontrados en la simulación condicen con la realidad, generándose valores de tensiones normales del orden de 980 MPa en las zonas de las ranuras (Figura 5a) zona donde se generan las fisuras (Figura 2a). Para la Placa convectora / Nuevo diseño (Planta Gral Savio) estas tensiones normales máximas son del orden de 530 MPa y en las ranuras de estas placas son del orden de 270 –300 MPa (Figura 5b).
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a) b)
Figura 5 – a) Distribución de tensiones normales en placas de diámetro reducido, b) Tensiones normales en las ranuras en una placa convectora /nuevo diseño.
Figure 5 – a) Normal tension distribution on reduced diameter plates, b) Normal tension on slot tip in convector plates / new design
Entre tanto para la Placa base (Planta Gral Savio) las condiciones de montaje son diferentes, ya que tienen adicionalmente la particularidad que está restringida su dilatación en el sentido de sus caras planas (sentido de carga de las mismas) en tres puntos laterales, donde estas están vinculadas con el difusor del horno (Figuras 6a).
La distribución de tensiones equivalentes (Von Misses) en las ranuras de la placa base son máximas y del orden de 628 MPa., de los cuales alrededor de 280 MPa son tensiones de tracción o tensiones normales sobre las ranuras de las placas (Figuras 6b).
a) b) c)
Figura 6 – a) Restricción lateral de dilatación de la placa base, b) Valores máximos de tensiones equivalentes, c) Tensiones normales en las ranuras.
Figure 6 – a) Restriction to lateral dilatation of base plate, b) Maximum equivalents tension values, c) Normal tension on slop tips.
En la Placa Convectora de Planta Ensenada (Figura 6c) los valores de tensiones normales determinados son del orden de 225 MPa y en las ranuras de 85 MPa. Si lo comparamos con la homóloga de la planta Gral Savio hay una diferencia de entre un 35 % al 40 %, que traducido en resistencia mecánica superan ampliamente los valores de especificación (Tensión de Fluencia mínima 240 MPa). Si consideramos que el material se degrada y estos valores caen en función de la temperatura (Tabla 2), la vida útil de la placa disminuye rápidamente.
Las modificaciones en las placas convectoras utilizadas en la simulación consistieron en mantener los espesores, los canales internos y se eliminaron las ranuras y agujeros. La distribución de tensiones normales en este nuevo diseño disminuyó en un 50 % respecto del diseño actual. No obstante este avance en la disminución de las solicitaciones sobre las placas la eliminación de los agujeros pasantes pude modificar las condiciones de proceso, lo cual debería ser considerado en el momento de evaluar un cambio en el diseño.
Como resultado de estos estudios se trazan líneas de trabajo que actualmente se están desenvolviendo:
Los cambios respecto del material especificado en la sección de Características del Material, con variaciones del contenido de carbono (< 0,10%) podría aumentar el costo de la placa. A modo de prueba se fabricó una placa en acero carbono de construcción soldada (de agujero reducido), la cual esta funcionando satisfactoriamente (sin fisuras) desde hace aproximadamente 12 meses. Esto podría atribuirse al bajo contenido de carbono y aleantes del acero carbono utilizado (SAE 1020), este material al no tener Cr y un C mas bajo que el ASTM A297 la tendencia a precipitar en borde de grano es menor, por lo que la tendencia a fisurar se demora. Por otro lado se tomaron precauciones en los extremos de las ranuras de forma tal de evitar la concentración de tensiones aumentando el radio y el chaflán de diseño.
Otra alternativa seria trabajar con el mismo material y diseño e introducir tratamientos térmicos (Tabla 2) que aumentan la tensión de fluencia demorando el inicio de las fisuras. Esto si bien es viable tiene un costo adicional que debe ser evaluado.
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5. CONCLUSIONES
La rotura de las placas se produce por la combinación de elevadas tensiones en las ranuras (próximas a las tensiones de rotura / fluencia) y degradación del material. En la medida que el material se degrada las roturas son más frecuentes, debido a que las tensiones de rotura / fluencia del material decaen fuertemente.
Como consecuencia de esto aparecen fisuras que, alcanzado el tamaño crítico en la zona de las ranuras, crecen y no pueden a ser arrestadas (material fragilizado) propagando en forma rápida.
La fragilización observada proviene del proceso de fabricación y del uso (ciclado térmico).
El diseño y la terminación superficial de las placas son otros de los factores que la hacen más sensibles a la fisuración.
Se recomienda utilizar las replicas metalográficas como método de control de degradación de forma tal que ayude a decidir el momento del descarte / reparación. Una vez detectado que comienza la degradación se puede decidir, en caso de fisuras, la reparación o no.
Se recomienda que los materiales de las placas nuevas, en caso de ser construidas fundidas y de acero ASTM A297 Gr HF) tengan un tratamiento térmico de homogenización, esto elevaría el costo de la placa.
Otra recomendación a implementar sería el cambio de material disminuyendo el contenido de carbono. En este sentido se recomienda continuar con los ensayos de placas de construcción soldada de acero carbono.
Adicionalmente seria conveniente seguir trabajando desde el proceso y en la forma / diseño de la placa.
6. REFERENCIAS:
[1] Informe N° LAB 08 026: Caracterización de Material de Placa Convectora de Hornos de recocido.[2] Informe N° LAB 08 1262: Análisis tensional, caracterización de material y evaluación de tratamientos
térmicos en placas de recocido de hornos EBNER.
[3] Welding Metallurgy of Stainless Steels. Erich Folkhard – Springer-Verlag.
[4] Metals Handbook.Volume 3 “Properties and Selection: Stainless Steels, Tool Materials an Special-Purpose Metals” ASM Edition. 1985.[5] SFSA Handbook. “Steel Founders' Society of America”. 6a Edition.[6] Smith William, Hashemi Javad “Fundamentos de la ciencia e Ingeniería de materiales”.
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