I Encontro de Engenharia, Ciência de Materiais e Inovação do Estado do Rio de Janeiro

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1 ANÁLISE DE FALHA POR FRATURA EM SELO DE SISTEMA DE REFRIGERAÇÃO DE ALTO-FORNO Uirá Silveira 1 (M), Fernando Gonçalves 1 (M), José Valente 1 (D), Marilia G. Diniz 1* 1 Universidade do Estado do Rio de Janeiro UERJ, Rio de Janeiro RJ, diniz@uerj.br Resumo: Um selo do sistema de refrigeração das ventaneiras de um alto-forno foi submetido à investigação para a determinação das possíveis causas de falha por fratura. Foram utilizadas técnicas de microscopia ótica (MO), microscopia eletrônica de varredura (MEV), análise química por espectroscopia de dispersão de energia (Energy dispersive spectroscopy - EDS) e ensaios de microdureza Vickers (HV). Os resultados obtidos indicaram que a fratura ocorreu principalmente devido à má distribuição e heterogeneidade de carbonetos na microestrutura do material. Palavras-chave: fratura, técnicas de caracterização, carbonetos. FAILURE ANALYSIS OF FRACTURE IN BLAST FURNACE COOLING SYSTEM SEAL Abstract: A seal the cooling system of the tuyeres of a blast furnace underwent investigation to determine the possible causes of failure by fracture. Optical microscopy techniques were used (OM), scanning electron microscopy (SEM), chemical analysis by energy dispersive spectroscopy (EDS) and microhardness Vickers (HV). The results indicated that the fracture was mainly due to poor distribution and heterogeneity of carbides in the microstructure of the material. Keywords: fracture, characterization techniques, carbides. Introdução Análise de falhas é o processo de coletar, examinar e interpretar evidências de danos. Um dos objetivos da análise de falhas é entender as possíveis condições que levam à fratura e, talvez, prevenir futuras falhas similares. A análise de falhas deve prover uma cadeia bem documentada de evidências, que podem excluir ou embasar possíveis interpretações. Certezas absolutas nem sempre podem ocorrer, e a tendência de desenvolver interpretações préconcebidas deve ser evitada [1]. Os estágios da investigação de fraturas são, de um modo geral [1]: 1. Coleta de dados e seleção de amostras 2. Verificação preliminar da falha 3. Testes mecânicos e ensaios não-destrutivos 4. Seleção, identificação, preservação e/ou limpeza de amostras 5. Análise macroscópica e documentação fotográfica 6. Análise e documentação microscópica 7. Seleção, preparação, exame e análise metalográfica das amostras 8. Determinação do mecanismo de falha 9. Análise química 10. Análise da mecânica da fratura 11. Testes de simulação em serviço 12. Análise de todas as evidências, formulação de conclusões e preparação de laudo técnico.

2 Assim, o objetivo deste trabalho foi caracterizar a falha por fratura ocorrida no selo de um sistema de refrigeração de ventaneiras de um alto-forno através de técnicas de inspeção visual, MO, MEV, análise química semi-quantitativa por EDS e medidas de microdureza Vickers. Experimental A peça analisada tratava-se de um selo de sistema de refrigeração de ventaneiras de um alto forno que apresentava 3 trincas no sentido radial. A peça foi cedida para estudo pela Empresa Companhia Siderúrgica do Atlântico (CSA) e não foram fornecidas informações sobre composição química ou a especificação da mesma. Para a obtenção de amostras foi necessário fraturar completamente a peça em uma das trincas préexistentes. A superfície de fratura foi então submetida a uma inspeção visual para observação de indícios do local do início da falha. Foram retiradas amostras do material, próximas a região fraturada, para obtenção de aspectos microestruturais. Foram realizadas etapas de corte, embutimento, lixamento, polimento e ataque químico nas amostras obtidas próximas à região de fratura (reagente Vilella 7 segundos). Imagens de aspectos microestruturais em amostras atacadas foram obtidas num Microscópio Óptico ZEISS Axiolmager M1m, com câmera digital acoplada. Foi utilizada para análise no MEV apenas um dos lados das superfícies fraturadas, a mesma superfície inicialmente submetida à uma inspeção visual. Foram obtidas imagens das regiões denominadas como interna, central e externa (Figura 1). Foi usado um MEV JEOL, modelo JSM- 6510LV, operando a 20kV e 80μA. Análise química semi-quantitativa empregou um dispositivo de aquisição EDS acoplado ao MEV. Aspectos fractográficos foram obtidos no modo de operação em elétrons secundários (SE). A amostra não teve nenhum tipo de preparo, apenas cuidou-se para que a superfície da fratura fosse preservada. Foram feitos ensaios de microdureza Vickers em amostra retirada próximo à superfície fraturada e através de microdurômetro HXD-1000 TM Pantec com carga de 100 kgf, tempo de aplicação de 15 segundos. Quatro medidas em locais aleatórios dentro das regiões 1, 2 e 3 (Fig. 1) foram aferidas. Todos os ensaios foram realizados segundo norma ISO [2]. Figura 1 Regiões indicadas e submetidas à análise por MEV e EDS na amostra fraturada. 1) Região interna; 2) Região central; 3) Região externa.

3 Resultados e Discussão A Fig. 2 apresenta as fractografias da superfície fraturada, das regiões definidas como interna, central e externa, respectivamente (ver Fig. 1). Figura 2 Imagens obtidas por MEV da amostra fraturada, todas com ampliação de 1500X e modo SE. a) região interna; b) região central; c) região externa. Analisando as imagens obtidas, percebe-se que há indícios de fratura frágil com características da clivagem [1]. É possível verificar as mudanças nas orientações dos planos de clivagem de um grão para o outro. A princípio a trinca que provocou a fratura acomodou a distorção em planos paralelos, porém estes finalmente acabaram se unindo por acoplamento entre planos. Os resultados de EDS para todas as regiões analisadas, mostraram quantidades significativas de ferro, cromo, molibdênio, vanádio e silício. Na região central foram encontrados traços de alumínio e magnésio, porém em baixos percentuais, indicando que são apenas residuais. Na região externa destacou-se a presença de um teor significativo de zinco. A Figura 3 exemplifica espectros obtidos para as regiões interna e central e a Figura 5 exemplifica os espectros da região externa. A Tabela 1 apresenta a porcentagem relativa dos elementos detectados na região externa, onde a presença de zinco foi considerada inesperada.

4 Figura 3 Espectros com picos de energias características referentes aos resultados da análise EDS para as regiões (a) interna e (b) central. Figura 4 Espectro referente ao resultado da análise EDS para a região externa. Tabela 1- Resultados obtidos pela análise química semiquantitativa por EDS. Element Line Weight % Weight % Error Atom % Atom % Error C K / / Si K / / V K / / Cr K / / Fe K / / Zn K / / Mo L / / Total

5 Comparando a composição química obtida com composições químicas de aços resistentes a temperaturas elevadas e que geralmente são utilizados para dispositivos em sistemas de refrigeração, o aço AISI D2, cuja composição química está na Tab. 2, foi o que apresentou maior semelhança [3]. Deve-se realçar que elementos como Zn não são comuns em aços resistentes a mecanismos de fluência ou aços ferramenta. Tabela 2 - Composição química do aço AISI D2 [3]. C Mn Si Cr Mo V P S 1,40 1,60 0,60 0,60 11,00 13,00 0,70 1,20 1,10 0,035 0,030 O aço tipo AISI D2 ou ASTM T30402 D2 é utilizado em ferramentais para corte e conformação de metais por possuir uma excelente combinação entre resistência mecânica e resistência ao desgaste. Porém, este aço apresenta tenacidade fortemente dependente da distribuição dos carbonetos eutéticos do tipo M7C3. Esta dependência é de particular importância à medida que a dimensão do material de partida deve ser adequada à dimensão final da ferramenta ou dispositivo, principalmente quando a matéria prima é proveniente de material cortado em distribuidores [4]. Fornecido no estado recozido, com dureza máxima de 255 HB (268 HV), o aço AISI D2 tem como composição química básica Fe-1,55%C-12,0%Cr, com adições dos elementos Mo e V da ordem de 1,0% para melhorar a resposta a tratamento térmico [4]. Muito embora um selo de sistema de refrigeração de alto-forno não fique submetido ao desgaste por atrito, deverá manter suas propriedades operando em temperaturas elevadas, tal como aços - ferramenta. O teor de zinco encontrado não era esperado e está em desacordo com a composição química do AISI D2. Esse teor relativamente alto, quando comparado com teores de elementos residuais, pode ter sido causado por uma impureza ou algum erro durante a fabricação da peça. A presença desse percentual de zinco na região externa da amostra pode ter gerado alguma fase concentradora de tensão ou com propriedades muito diferentes em relação às demais. A Tab. 3 apresenta os resultados obtidos da microdureza Vickers. Ocorreu uma variação significativa entre os valores de dureza obtidos para as diversas regiões testadas da amostra (Min 658HV; Max- 1000,6HV). Tabela 3 Resultados de microdureza HV para as regiões determinadas na Fig. 1: Região Valores de Dureza (HV) Média Desvio Padrão Interna 713,2 658,0 770,6 679,0 705,2 42,59 Central 774,4 766,9 1000,6 757,2 824,8 101,70 Externa 715,4 745, ,1 717,7 16,97 (Todos os valores) 749,2 83,84

6 Devido a diferença entre os valores de dureza encontrados para as regiões analisadas da amostra testada e os valores presentes na literatura para o aço AISI D2 [4], a composição química foi considerada de maior relevância para a determinação do tipo de material utilizado na confecção do selo. Comparando os valores obtidos com o valor presente na norma (268HV), pode-se perceber que existem diferenças significativas entre eles. Essa alteração nos valores pode ser uma consequência do processo de fabricação usado na confecção do selo. A Fig. 5 mostra que diferentes condições microestruturais podem ser obtidas no corte de amostra de um material. Na Fig. 6 observa-se a microestrutura correta x incorreta que pode ser esperada para um aço com a presença de carbonetos [4]. Figura 5 - Tipos de cortes de uma placa fina de aço AISI D2 a partir de um bloco forjado de grandes dimensões [4]. Figura 6 Possibilidades de variação microestrutural para placas de aço AISI D2 cortadas a partir de blocos de grandes dimensões. As más distribuições de carbonetos no aço estão representadas pelas situações (b), (c) e (d) [4]. Os aspectos microestruturais obtidos para o selo indicam a ocorrência de uma distribuição heterogênea e um alinhamento preferencial dos carbonetos (Fig.7).

7 Figura 7- Microestrutura do selo de sistema de refrigeração de alto-forno. Os carbonetos apresentaram forte grau de alinhamento no sentido da conformação mecânica durante seu processo de fabricação (reagente Vilella 7 segundos). Uma comparação entre os aspectos micrográficos obtidos (Fig. 7) e a Fig. 6, percebe-se uma formação microestrutural considerada incorreta [4]. Os efeitos ilustrados na Fig. 6 são agravados se levarmos em consideração que peças podem ser retiradas do plano da superfície do bloco ou do plano do núcleo do bloco. Placas retiradas da superfície e do interior do bloco terão estruturas de carbonetos diferentes, durezas diferentes e distribuição de tensões diferentes. Uma má distribuição dos carbonetos ocasionará pontos de concentração de tensões que levarão o material a falhar por trincas e fraturas. Conclusões Através das análises realizadas pôde-se concluir que: As imagens obtidas e os valores percentuais presentes na composição do material indicam características de um aço ferramenta do tipo AISI D2; Há indícios de fratura frágil com características de clivagem; Os valores de dureza denotam uma heterogeneidade na concentração de fases no material; A falha por fratura foi, muito provavelmente, causada por uma má distribuição dos carbonetos no material (alto grau de alinhamento e heterogeneidade da concentração) que geraram um comportamento fortemente anisotrópico na dureza e distribuição de tensões no mesmo. Referências Bibliográficas [1] Failure Analysis of Heat Treated Steel Components; Canale, L.C.F.; Mesquita, R.A.; Totten, G.E. [2] ABNT ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, NM ISO , Materiais metálicos - Ensaio de dureza Vickers Parte 1: Método de ensaio, ed. Associação Brasileira de Normas Técnicas, Brasil, 2008; [3] NM 122:07, Aços Ferramenta: Classificação, Designação e Composição Química. Norma Mercosul, 1 a Edição,1997. [4] Principais Parâmetros Metalúrgicos e Suas Influências na Qualidade e Desempenho do Aço para Trabalho a Frio AISI D2; Mendanha, A.; Franco Jr. A. R.; Goldenstein, H.; Tschiptschin, A. P.; Pinedo, C. E.