BR112014019024B1

BR112014019024B1 - Método para produção de um cilindro de aço forjado

Info

Publication number: BR112014019024B1
Application number: BR112014019024-0A
Authority: BR
Inventors: Hirofumi Onishi; Akihiro Yamanaka; Hideo Mizukami; Tomoaki Sera; Hideyoshi Yamaguchi
Original assignee: Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation
Priority date: 2012-02-21
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2019-03-06
Also published as: AU2013223629A1; AU2013223629B2; TWI541088B; BR112014019024A2; CN104144759B; KR101630107B1; WO2013125162A1; US10144057B2; CN104144759A; KR20140125423A; TW201347876A; BR112014019024A8; IN2014DN07287A; JP2013169571A; US20150026957A1; JP5672255B2

Abstract

resumo método para produção de um cilindro de aço forjado trata-se de um método para produção de um cilindro de aço forjado que compreende: fundir, através do método de esr, um lingote de aço que contém, % em massa, c: 0,3% ou mais, si: 0,2% ou mais, cr: 2,0 a 13,0% e mo: 0,2% ou mais, e, além disso, contém bi em 10 a 100 ppm em massa; e forjar o lingote de aço para produzir o cilindro. de acordo com esse método, uma vez que defeitos de sardas podem ser selados próximo do centro do lingote de aço, o cilindro pode ser usado de forma estável por um longo período de tempo. 1/1

Description

“MÉTODO PARA PRODUÇÃO DE UM CILINDRO DE AÇO FORJADO”

CAMPO DA TÉCNICA [0001] A presente invenção refere-se a um método para produção de um cilindro de aço forjado para uso a quente ou a frio e, particularmente, se refere a um método para produção de um cilindro de aço forjado que pode manter propriedades de superfície satisfatórias até mesmo quando o corte da superfície de cilindro é repetido em associação a seu uso em longo prazo.

ANTECEDENTES [0002] Em geral, cilindros de aço forjado são produzidos, devido a seu grande diâmetro, através da fusão de lingotes em grande escala (lingotes de aço) através do método de produção de lingotes e do forjamento dos lingotes. Nos lingotes de grande escala, uma macrossegregação chamada de segregação-fantasma tende a ocorrer do centro para as adjacências da superfície durante a fundição, e essa segregação-fantasma permanece no interior dos cilindros de aço forjado produzidos como uma segregação mesmo após passar por uma etapa de forjamento e uma etapa de tratamento térmico.

[0003] A Figura 1 é uma vista longitudinal em corte de um lingote geral obtida através do método de produção de lingotes. Conforme mostrado nessa figura, a segregação V e a segregação-fantasma aparecem dentro do lingote como macrossegregações genéricas. A segregação V é formada em formato de V na parte central do lingote e inclui uma segregação V densa na parte superior e uma segregação V pálida na parte inferior. Existem cristais sedimentados abaixo da segregação V pálida. A segregação-fantasma, em que C, P, Mn ou outros componentes de liga são espessados, é localizada em uma área que se estende do exterior da segregação V até uma posição de aproximadamente 1/2 do raio do lingote, e tem um formato de segregação linear que se estende na direção vertical do lingote.

2/20 [0004] Uma vez que a posição de geração da segregaçãofantasma está mais próxima da superfície do lingote do que a segregação V, as fissuras que se iniciam a partir da segregação-fantasma podem ser causadas nas etapas de forjamento e de tratamento térmico após a fundição do lingote, por estresses em deformação de processamento e estresses térmicos no tratamento térmico até o resfriamento.

[0005] Além disso, os cilindros de aço forjado, quando a superfície dos cilindros de aço forjado é desgastada ou submetida à abrasão durante o uso, são reparados através do corte da superfície do cilindro para restaurar a lisura em uma faixa regulada. Se a segregação-fantasma for deixada nas adjacências da superfície dos cilindros de aço forjado nessa ocasião, as linhas de segregação podem ser expostas à superfície dos cilindros através desse reparo de corte, mesmo se nenhum defeito, tal como fissuras, for causado no processo de produção original. Quando um cilindro com linhas de segregação expostas é usado para processamento, tal como laminação, o cilindro por si próprio se torna inadequado para reuso uma vez que as linhas de segregação são transferidas para uma peça de trabalho.

[0006] Portanto, é altamente necessário estabelecer uma técnica para produzir um cilindro de aço forjado que possa ser usado de forma estável por um longo período de tempo sem fissura nas etapas de tratamento térmico e forjamento e sem exposição das linhas de segregação através de reparos de corte repetidos da superfície do cilindro de aço forjado.

[0007] Quando os lingotes obtidos através do método de produção de lingotes são usados como material para cilindros de aço forjado como são originalmente, a qualidade dos cilindros de aço forjado resultantes é deteriorada de forma notável, particularmente, como resultado da segregação-fantasma. Nesse contexto, os lingotes de aço obtidos através do método de refusão por eletroescória (doravante referido como “ESR”) são conhecidos em geral por terem uma estrutura solidificada com menos segregação. Portanto, como material para cilindros de aço forjado, os lingotes

3/20 de aço obtidos através do método de ESR são geralmente aplicados.

[0008] A Figura 2 é uma vista em corte longitudinal de um lingote geral de aço obtido através do método de ESR. Dentro do lingote de aço, os defeitos de sardas aparecem nas adjacências de uma área de aproximadamente 1/2 do raio do lingote de aço em que a curvatura da poça de aço fundido é aumentada, dependendo da profundidade da poça de aço fundido. Os defeitos de sardas aparecem dentro dos lingotes de aço através do método de ESR que é menor, comparado com a segregação V e a segregação-fantasma que aparecem dentro dos lingotes através do método de produção de lingotes. Portanto, a aplicação dos lingotes de aço obtidos através do método de ESR como o material para cilindros de aço forjado inclui uma promessa para melhorar a qualidade dos cilindros de aço forjado em um modelo.

[0009] Entretanto, o defeito de sardas é um tipo de canal de segregação que tem os mesmos mecanismos de geração como a segregação-fantasma. Assim, mesmo quando os lingotes de aço obtidos através do método de ESR são usados como o material para cilindros de aço forjado, deterioração na qualidade dos cilindros de aço forjado que resultam dos defeitos de sardas que se tornam óbvios, similarmente ao que resulta da segregação-fantasma.

[0010] O mecanismo de geração dos defeitos de sardas pode ser explicado conforme segue.

[0011] Em um processo de forjamento, os elementos leves tais como C, P, e Si no aço são microssegregados entre as árvores de dendrito no curso da solidificação. Tal aço fundido de microssegregação tem densidade mais baixa que aço fundido bruto (metal de base) visto que esses elementos leves são espessados e recebem uma força para cima verticalmente oposta à gravidade através de flutuação.

[0012] Embora o aço fundido de microssegregação pare entre árvores de dendrito similares a ramo no estágio inicial da geração, o mesmo

4/20 é, em seguida, levemente movido para cima através de flutuação, integrado com outro aço fundido de microssegregação localizado mais acima, e desenvolvido em um agregado de aços fundidos de microssegregação, desse modo seu volume é aumentado. Tal aço fundido de microssegregação é aumentado em volume adicionalmente através de um movimento para cima adicional e a promoção da integração, e ascendido através de grande flutuação produzida desse modo, enquanto cruza ramos de dendritos existentes mais acima e quebra os ramos para coletar adicionalmente outros aços fundidos de microssegregação.

[0013] Esse aço fundido de microssegregação congela de acordo com o progresso de solidificação durante a ascendência entre as árvores de dendrito, e permanece uma linha de segregação dentro do lingote de aço, e o mesmo emerge como um defeito de sardas.

[0014] É evidente que o defeito de sardas é mais provável de ocorrer visto que o teor de elementos leves em aço fundido é maior, a partir do ponto de seu mecanismo de geração.

[0015] Quando a estrutura dendrítica, que é uma estrutura solidificada, é grosseira, o volume do aço fundido de microssegregação tende a aumentar e os defeitos de sardas tendem a se tornar grosseiros. Isso é atribuído a, quando a estrutura dendrítica é grosseira, um fluxo para cima de aço fundido é facilmente gerado devido a um volume aumentado do aço fundido de microssegregação que é gerado primeiro entre as árvores de dendrito e uma resistência pequena quando o aço fundido de microssegregação começa a ascender através de flutuação.

[0016] Em geral, quando o raio de um lingote de aço é representado por R, defeitos de sardas tendem a ocorrer nas adjacências de R/2 do lingote de aço em que o raio de curvatura da poça de aço fundido é aumentado para facilitar a extensão de ápice do espaçamento de braço de dendrito. Entretanto, quando o lingote de aço é de tamanho grande e de alto teor de elementos leves, os defeitos de sardas tendem a ser gerados,

5/20 também próximos à superfície do lingote de aço, causando um problema tal como a geração de fissuras na etapa de tratamento térmico, de forma similar ao caso da de segregação-fantasma mencionada acima.

[0017] Conforme descrito acima, é altamente necessário estabelecer uma técnica capaz de evitar a geração de fissuras nas etapas de tratamento térmico e forjamento, na produção de cilindros de aço forjado, e evitar que linhas de segregação sejam expostas mesmo quando a superfície dos cilindros de aço forjado for repetidamente reparada através de corte, de modo que os cilindros de aço forjado possam ser usados de forma estável por um longo período de tempo. Para satisfazer essa exigência, é necessário suprimir perfeitamente os defeitos de sardas no estágio de fundição de lingotes de aço ou vedar os defeitos de sardas pelo menos próximo ao centro em relação à superfície dos lingotes de aço.

[0018] Supõe-se que a geração de defeitos de sardas possa ser suprimida através da miniaturização da estrutura dendrítica, de um ponto de vista desse mecanismo de geração. Embora a miniaturização da estrutura dendrítica possa ser realizada através do aumento da taxa de resfriamento na fundição, até mesmo a produção de lingotes de aço de diâmetro pequeno em alta taxa de resfriamento, por exemplo, envolve problemas tais como restrições no diâmetro do cilindro de produto e uma razão de forja insuficiente no forjamento dos lingotes de aço.

[0019] O Documento de Patente 1 descreve um método para miniaturizar a estrutura dendrítica através da definição do teor de P a 0,025 a 0,060% em peso, como um método para o melhoramento do desbaste de superfície de um cilindro de trabalho para usina de laminação a frio visto que o desbaste de superfície do cilindro é causado pela estrutura dendrítica gerada durante a fundição. Entretanto, visto que P é geralmente um elemento de impureza, e causa fragilização do material de ferro e aço, não é preferencial aumentar o teor de P. Além disso, P é um elemento leve que causa defeitos de sardas conforme descrito acima, e um aumento do teor de

6/20

P é considerado estimulante da geração de defeitos de sardas.

[0020] O Documento de Patente 2 propõe um método de determinação em um simulador para os processos de fundição, que é caracterizado através de avaliação simultânea de um índice de avaliação de defeito de sardas (número Ra (número de Rayleigh)) com consideração para um fluxo de aço fundido de segregação, ou um índice de avaliação de defeito de heterocristal com consideração para um mecanismo de heterocristalização da concentração ou temperatura calculada em uma simulação de processo de fundição com base em um plano de fundição opcional para determinar a qualidade do plano de fundição. Conforme descrito no parágrafo 80 deste documento, embora isso possa ser sugerido do exemplo de cálculo da Figura 12 neste documento que os defeitos de sardas são prováveis de ocorrer em um lugar em que o número Ra é 0,07 ou maior, os valores de referência da avaliação de defeito precisam ser novamente fixados quando o material de fusão for mudado.

LISTA DE CITAÇÃO DOCUMENTO DE PATENTE [0021] O Documento de Patente 1: Publicação de Pedido de Patente n^o JP 61-009554 [0022] O Documento de Patente 2: Publicação de Pedido de Patente n^o JP 2003-033864

SUMÁRIO DA INVENÇÃO PROBLEMA DA TÉCNICA [0023] Conforme descrito acima, a miniaturização da estrutura dendrítica em lingotes de aço como o material para cilindros de aço forjado tem problemas tais como as restrições no diâmetro de cilindro e a ocorrência de fragilidade ou segregação devido ao aumento do teor do elemento leve. A presente invenção é alcançada em vista de tais problemas, e tem como objetivo fornecer um método para produção de um cilindro de aço forjado, capaz de suprimir perfeitamente os defeitos de sardas, na fundição de um

7/20 lingote de aço como o material para cilindros de aço forjado através do método de ESR, ou vedar os defeitos de sardas pelo menos próximos do centro em relação a uma posição em que os defeitos de sardas emergem nos lingotes de aço convencional.

SOLUÇÃO PARA O PROBLEMA [0024] Como resultado dos exames rigorosos para alcançar o objetivo mencionado acima, os presentes inventores constataram que a estrutura de dendrito pode ser miniaturizada ao mesmo tempo em que a geração de defeitos de sardas através da adição de Bi ao aço fundido, no processo de fundição através do método de ESR, para fundir um lingote de aço que contém uma quantidade predeterminada de Bi. O conteúdo dos exames será descrito depois.

[0025] A presente invenção é alcançada com base nesse conhecimento, e a essência da mesma é o método seguinte para produção de um cilindro de aço forjado. Em outras palavras, o método para produção de um cilindro de aço forjado da presente invenção é caracterizado pela fundição, através do método de ESR, um lingote de aço que contém, % em massa, C: 0,3% ou mais, Si: 0,2% ou mais, Cr: 2,0 a 13,0% e Mo: 0,2% ou mais, e ainda contém Bi em 10 a 100 ppm em massa; e forjamento do lingote de aço para produzir o cilindro.

[0026] Na descrição a seguir, com relação aos componentes da composição de aços, “%” significa “% em massa” e “ppm” significa “ppm em massa”, exceto quando especificado o contrário.

EFEITOS VANTAJOSOS DA INVENÇÃO [0027] De acordo com o método para produção de um cilindro de aço forjado da presente invenção, os defeitos de sardas que são uma macrossegregação gerada na fundição de um lingote de aço através do método de ESR pode ser vedado próximo ao centro em relação à superfície do lingote de aço. Visto que as fissuras que começam da segregação podem ser, assim, suprimidas durante o forjamento e o tratamento térmico do lingote

8/20 de aço, e as linhas de segregação do defeito de sardas mal são expostas até quando o cilindro é reparado através do corte para reusar o cilindro, o cilindro pode ser usado de forma estável por um longo período de tempo.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS [0028] A Figura 1 é uma vista em corte longitudinal de um lingote geral obtido através de um método para produção de lingote.

[0029] A Figura 2 é uma vista em corte longitudinal de um lingote de aço geral obtido através do método de ESR.

[0030] A Figura 3 é uma vista esquemática que mostra, no método para produção de um cilindro de aço forjado da presente invenção, um exemplo de fundição de um lingote de aço usado como o material através do método de ESR.

[0031] A Figura 4 é uma vista que mostra a relação entre o teor de Bi e o espaçamento de braço primário de dendrito.

[0032] A Figura 5 é uma vista que mostra a relação entre a distância radial em relação à superfície do lingote de aço e o espaçamento de braço primário de dendrito.

[0033] A Figura 6 é uma vista que mostra a relação entre a distância radial em relação à superfície do lingote de aço e o valor de Ra/Ra0.

DESCRIÇÃO DAS MODALIDADES [0034] O método para produção de um cilindro de aço forjado da presente invenção é caracterizado por: fundir, através do método de ESR, um lingote de aço que contém C: 0,3% ou mais, Si: 0,2% ou mais, Cr: 2,0 a 13,0% e Mo: 0,2% ou mais, e ainda contém Bi em 10 a 100 ppm; e forjar o lingote de aço para produzir o cilindro.

[0035] As razões para especificar o método para produção de um cilindro de aço forjado da presente invenção conforme descrito acima e as modalidades preferenciais do mesmo serão, então, descritas.

[0036] 1. Fundição de lingote de aço através do método de ESR [0037] A Figura 3 é uma vista esquemática que mostra, no

9/20 método para produção de um cilindro de aço forjado da presente invenção, um exemplo de um estado para fundir um lingote de aço usado como um material através do método de ESR.

[0038] Conforme mostrado nessa figura, no método de ESR, um fragmento 4 é conectado através de soldagem à extremidade superior de um eletrodo consumível cilíndrico 2 que é uma base de metal de um lingote de aço 1, e o eletrodo é movido para baixo de acordo com a redução do fragmento 4 através de um mecanismo de levantamento e abaixamento não mostrado. Uma escória fundida 7 é mantida em um molde de fundição (molde de cobre esfriado por água) 6 dentro de uma câmara 5, e a energização é executada com o eletrodo consumível 2 que está imerso na escória fundida 7, desse modo a eletricidade é carregada para a escória fundida 7, e a escória fundida 7 gera calor. O eletrodo consumível 2 é sucessivamente fundido a partir da extremidade inferior através do calor de Joule da escória fundida 7. O eletrodo consumível fundido 2 sedimenta-se através da escória fundida 7 como gotículas, e se solidifica em camadas enquanto é retido como uma poça de aço fundido 3 dentro do molde de fundição 6. O eletrodo consumível 2 é sucessivamente fundido até a extremidade superior, e o aço fundido 3 é sucessivamente solidificado no molde de fundição 6, desse modo o lingote de aço 1 para o cilindro de aço forjado é obtido.

[0039] Na presente invenção, visto que o lingote de aço 1 obtido através do método de ESR contém uma quantidade predeterminada de Bi, o aço fundido 3 precisa ser induzido a conter Bi no processo de fundição através do método de ESR. Como um método, portanto, Bi pode ser adicionado ao aço fundido 3 em um estágio de fundição através do método de ESR, ou Bi pode ser adicionado, em um estágio anterior à fundição através do método de ESR ou no estágio de produção o eletrodo consumível 2 que é o metal de base através do método de produção do lingote, para o aço fundido do eletrodo.

[0040] Quando Bi é adicionado ao aço fundido 3 no estágio de

10/20 fundição através do método de ESR conforme o anterior, a adição de Bi pode ser obtida através do suprimento de um arame de Bi 8 que contém Bi ao aço fundido 3 conforme mostrado na Figura 3. Além disso, pode ser obtida através da soldagem anterior do arame de Bi à superfície lateral do eletrodo consumível 2 ao longo da direção axial.

[0041] Na fundição através do método de ESR, a temperatura do aço fundido excede 1.600°C. Por outro lado, o ponto de ebulição puro de Bi é somente 1.564°C que cai abaixo da temperatura do aço fundido. Portanto, quando o arame de Bi é composto de um único corpo de Bi, Bi não pode ser retido de maneira eficaz no aço fundido uma vez que Bi é evaporado durante a fundição. Assim, o arame de Bi é apropriadamente composto de uma liga de Bi com Ni ou similares. A inclusão de Ni ou similares leva a um aparente aumento do ponto de ebulição de Bi. Quando a série Ni-Bi é selecionada como a liga, o teor de Bi no arame de Bi é preferencialmente definido em 20 a 70% em massa de modo que Bi esteja presente em um estado de fase líquida no aço fundido.

[0042] Quando Bi é adicionado ao aço fundido no estágio de produção do eletrodo consumível 2 conforme o último, Bi pode ser adicionado no prospecto da quantidade de evaporação de Bi durante a fundição através do método de ESR.

[0043] 2. Composição de componente de Cilindro de Aço Forjado e Razão de Determinação do mesmo [0044] C: 0,3% ou mais [0045] O C aumenta a temperabilidade do aço. O C também aumenta a resistência ao desgaste do aço através da ligação com Cr ou V para formar um carboneto. Portanto, o teor de C é definido em 0,3% ou mais, mais preferencialmente 0,5% ou mais, além disso, preferencialmente em 0,85% ou mais. O limite superior do teor de C não é particularmente limitado, mas quando C está contido em excesso, uma dureza suficiente particularmente como cilindros de aço forjado para laminação a frio não pode

11/20 ser assegurada, e a tenacidade e usinabilidade do aço são deterioradas devido à distribuição desigual do carboneto. Assim, o teor de C é preferencialmente definido em 1,3% ou menos, mais preferencialmente em 1,05% ou menos.

[0046] Si: 0,2% ou mais [0047] O Si é um elemento eficaz para a desoxidação do aço. O Si também aumenta a resistência ao amolecimento de revenido do aço e aumenta a dureza do aço por ser sólido dissolvido no aço. Portanto, o teor de Si é definido em 0,2% ou mais, mais preferencialmente em 0,3% ou mais. Embora o limite superior do teor de Si não seja particularmente limitado, a limpeza do aço é deteriorada quando Si está contido em excesso. Assim, o teor de Si preferencialmente definido em 1,1% ou menos, mais preferencialmente em 0,85% ou menos, além disso, preferencialmente em 0,6% ou menos.

[0048] Cr: 2,0 a 13,0% [0049] O Cr aumenta a temperabilidade do aço. O Cr também aumenta a resistência ao desgaste do aço através da formação de um carboneto. Por outro lado, quando Cr está contido em excesso, a ductilidade ou tenacidade de aço é deteriorada devido à distribuição desigual do carboneto. Assim, o teor de Cr é definido em 2,0 a 13,0%, mais preferencialmente em 2,5 a 10,0%.

[0050] Mo: 0,2% ou mais [0051] O Mo aumenta a temperabilidade do aço. O Mo também aumenta a resistência ao amolecimento de revenido. Portanto, o teor de Mo é definido em 0,2% ou mais, mais preferencialmente em 0,3% ou mais. O limite superior do teor de Mo não é particularmente limitado. Entretanto, quando Mo está contido em excesso, a ductilidade ou tenacidade do aço é deteriorada devido à formação de um carboneto. Assim, o teor de Mo é definido preferencialmente em 1,0% ou menos, mais preferencialmente 0,7% ou menos.

12/20 [0052] Bi: 10 a 100 ppm [0053] Visto que C e Si são elementos leves, defeitos de sardas tendem a ocorrer quando 0,2% ou mais Si está contido em aço de carbono de alto teor de carbono que tem um teor de C de 0,3% ou mais. Entretanto, Bi está contido no aço fundido no processo de fundição através do método de ESR para definir o teor de Bi a 10 ppm ou mais, conforme será descrito abaixo, de modo que a geração de defeitos de sardas possa ser suprimida. Quando o teor de Bi excede 100 ppm, a fragilização se torna problemática, mesmo se for um vestígio, na formação de um cilindro através do forjamento. Portanto, o teor de Bi é definido em 100 ppm ou menos.

[0054] O cilindro de aço forjado pode conter adicionalmente os seguintes elementos, além dos elementos essenciais mencionados acima.

[0055] Mn: 0,4 a 1,5% [0056] O Mn aumenta a temperabilidade do aço. Além disso, o Mn é um elemento eficaz para a desoxidação do aço. Quando Mn está contido em excesso, a resistência à fissura do aço é deteriorada. Portanto, quando Mn está contido de modo agressivo, o teor do mesmo é definido em 0,4 a 1,5%.

[0057] Ni: 2,5% ou menos [0058] O Ni aumenta a tenacidade do aço. O Ni também aumenta a temperabilidade do aço. Por outro lado, quando Ni está contido em excesso, a fissura por hidrogênio tende a ocorrer após o tratamento térmico. Uma vez que Ni é um elemento de formação de austenita, a dureza do aço é deteriorada quando Ni está contido em excesso. Portanto, quando Ni está contido de modo agressivo, o teor de Ni é definido em 2,5% ou menos, mais preferencialmente em 0,8% ou menos.

[0059] V: 1,0% ou menos [0060] O V aumenta a resistência ao desgaste do aço; através da formação de um carboneto. Entretanto, quando V está contido em excesso, a ductilidade ou tenacidade do aço é deteriorada devido à formação

13/20 do carbono. Portanto, quando V está contido de modo agressivo, o teor dos mesmos é definido em 1,0% ou menos, preferencialmente em 0,2% ou menos.

[0061] Nos lingotes de aço que têm a composição mencionada acima, a estrutura dendrítica se torna fina através da fundição através do método de ESR. Portanto, nos cilindros de aço forjado produzidos através do forjamento desses lingotes de aço como o material, os defeitos de sarda são perfeitamente suprimidos ou os defeitos de sardas são vedados próximos ao centro dos lingotes de aço, comparados com um caso em que Bi não está contido, de modo que linhas de segregação não sejam expostas mesmo quando a superfície dos cilindros de aço forjado é repetidamente reparada através do corte, e os cilindros de aço forjado podem ser, assim, usados de forma estável também com os cilindros reciclados.

[0062] 3. Efeitos de inclusão de Bi [0063] Os presentes inventores constataram, através do seguinte teste de solidificação unidirecional, que a estrutura dendrítica pode ser miniaturizada para suprimir a geração de defeitos de sardas através da indução do aço fundido para conter Bi no processo de fundição através do método de ESR de modo que um lingote de aço resultante contenha um vestígio (10 ppm ou mais) de Bi.

[0064] 3-1. Condição de teste [0065] Um teste foi realizado para a fundição de um lingote de aço colunar com um diâmetro de 15 mm e uma altura de 50 mm através do método de ESR. Em relação ao mesmo, lingotes de aço que têm teores de Bi de 10 ppm, 21 ppm e 38 ppm são produzidos respectivamente através da adição de Bi a aços fundidos, e um lingote de aço livre de Bi foi, também, produzido sem adição de Bi. A taxa de resfriamento foi definida em 5 a 15°C/min de acordo com a condição de operação real.

[0066] Com relação a cada um dos lingotes de aço obtidos, os espaçamentos, cada um, entre aproximadamente 10 braços primários que se

14/20 estendem substancialmente em paralelo com a direção axial em uma seção longitudinal que passa através do centro foram medidos, e um valor de média aritmética dos mesmos foi obtido como o espaçamento de braço primário de dendrito de cada lingote de aço.

[0067] 3-2. Resultado de teste [0068] A Figura 4 é uma vista que mostra a relação entre o teor de Bi e o espaçamento de braço primário de dendrito. Nessa figura, o espaçamento de braço primário de dendrito (d) foi mostrado no eixo geométrico vertical como a razão (d/de) para o espaçamento de braço primário de dendrito (ds) de lingote de aço livre de Bi. Foi encontrado nessa Figura que, como o teor de Bi é alto, o espaçamento de braço primário de dendrito de aço carbônico é mais estreito, e a estrutura dendritica é mais fina. Isso é atribuído ao fato de que Bi é um elemento que tem um efeito de reduzir a energia de interface da interface líquido-sólida do aço carbônico, e mostra um efeito na miniaturização do espaçamento de braço primário de dendrito mesmo que esse teor seja um vestígio. Se o teor de Bi é 10 ppm ou mais, a geração de defeitos de sardas pode ser suprimida de maneira eficaz, conforme mostrado nos exemplos a serem descritos.

[0069]4. índice da Geração de Defeitos de Sarda [0070] Os presentes inventores concentraram a atenção no uso do número Ra como um índice de geração de defeitos de sarda. O número Ra é um número adimensional que indica um fluxo convectivo no campo da temperatura, ou um produto do número Pr (número de Prandtl) e número Gr (número de Grashof), e é representado pela seguinte equação (1).

Ra=PrGr=gP(Ts-T-)L³/va... (1) [0071] Na equação, g [m/s²]: aceleração da gravidade, β [1/K]: coeficiente de expansão de volume, Ts [KJ: temperatura de superfície do objeto, T. [K]: temperatura do fluido, v [m²/s]: coeficiente de viscosidade cinética, a [m²/s]: difusividade térmica, e L [m]: comprimento típico.

[0072] O número Ra é considerado fisicamente como uma razão

15/20 de flutuação que é a força motriz de fluxo para a força de resistência de fluxo, e é proporcional ao cubo do comprimento típico conforme mostrado na equação (1) mencionada acima. Se o estado crítico da geração de defeitos de sarda é contemplado, o comprimento típico no número Ra precisa ser definido para a magnitude da microssegregação entre as árvores de dendrito. Uma vez que o aço fundido de microssegregação é preenchido entre as árvores de dendrito no estado inicial da geração, a magnitude da microssegregação pode ser considerada como o espaçamento de braço primário de dendrito. Consequentemente, o comprimento típico no número Ra pode ser definido para o espaçamento de braço primário de dendrito. Assim, pode-se dizer que o número Ra é proporcional ao cubo do espaçamento de braço primário de dendrito.

[0073] Conforme descrito acima, embora os defeitos de sardas se tornem mais provavelmente grosseiros já que a estrutura dendrítica é mais grosseira, considera-se que os defeitos de sardas ocorram com mais facilidade uma vez que o número Ra é maior. Se os resultados da geração de defeitos de sardas em lingotes de aço reais são comparados com o número Ra, o número Ra pode ser obtido como um índice para o estado crítico da geração de defeitos de sarda. Uma vez que o número Ra é proporcional ao cubo do espaçamento de braço primário de dendrito mesmo se a redução do espaçamento de braço primário de dendrito que contém um vestígio de Bi nos lingotes de aço for relativamente pequena, a inclusão de Bi nos lingotes de aço é eficaz para a redução no número Ra, e, assim, extremamente eficaz para suprimir a geração de defeitos de sardas.

EXEMPLOS [0074] Os efeitos da presente invenção foram avaliados através de um teste preliminar executado com o uso de lingotes de aço reais e uma simulação através de cálculo numérico.

[0075] 1. Teste Preliminar [0076] Um teste de fundição de um lingote de aço 800 mm em

16/20 diâmetro através do método de ESR foi executado como um teste preliminar. Como o objeto de aço, um aço de alto teor de carbono de 0,87%C-0,30%Si0,41%Mn-0,10%Ni-4,95%Cr-0,41%Mo-0,01%V (livre de Bi) foi adotado. A temperatura de linha líquida desse aço é 1.460 °C, e a temperatura de linha sólida do mesmo é 1.280 °C. Como as condições de fundição, uma escala de aço fundido de 9 t (ton) e um comprimento de lingote de aço de 2,3 m foram adotados.

[0077] Como resultado, defeitos de sardas não foram gerados até uma posição de 133 mm radialmente para dentro a partir da superfície do lingote de aço, e os defeitos de sardas foram gerados no lado interno do mesmo. A saber, o ponto crítico da geração de defeitos de sarda foi a posição de 133 mm radialmente para dentro a partir da superfície do lingote de aço. O espaçamento de braço primário de dendrito e o número Ra nesse ponto crítico da geração de defeitos de sarda foram representados por d₀ e Ra₀, respectivamente, e usados como valores de referência da simulação a seguir através de cálculo numérico.

[0078] 2. Simulação através de Cálculo Numérico [0079] As condições de avaliação da simulação de cálculo numérico foram definidas conforme segue. O objeto de aço tem a mesma composição que no teste preliminar mencionado acima de 0,87%C-0,30%Si0,41%Mn-0,10%Ni-4,95%Cr-0,41%Mo-0,01%V, com o teor de Bi sendo 0 ppm (livre de Bi), 10 ppm, 21 ppm e 38 ppm. O diâmetro do objeto de lingote de aço foi definido em 800 mm, de modo similar ao teste preliminar.

[0080] Nas condições de avaliação mencionadas acima, a taxa de solidificação e a taxa de resfriamento de cada parte do lingote de aço foram calculadas através de análise de transferência de calor não estável unidimensional radial do lingote de aço, e a distribuição de espaçamentos de braço primário de dendrito na direção radial a partir da superfície do lingote de aço foi calculada por meio da seguinte equação (2) (“Solidification of Iron and Steel”, Pesquisa Conjunta The Iron and Steel Institute of Japan-Iron and

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Steel Basic, Divisão de Solidificação, 1997, Apêndice 4). A equação (2) é uma expressão experimental do espaçamento de braço primário de dendrito d (pm) com o uso da taxa de solidificação V (cm/min) e do gradiente de temperatura G (°C/cm) como parâmetros em um caso no qual um aço Cr-Mo é adotado.

d=1.620V^-0,2G^-0,4 .„(2) [0081] A Figura 5 é uma vista que mostra a relação entre a distância radial em relação à superfície do lingote de aço e o espaçamento de braço primário de dendrito. O espaçamento de braço primário de dendrito (d_B) no caso livre de Bi, mostrado nessa figura, foi calculado na equação (2) mencionada acima. O espaçamento de braço primário de dendrito (d) no caso que contém Bi foi calculado através da multiplicação da razão (d/d_B) de espaçamento de braço primário de dendrito em relação a cada teor de Bi (10 ppm, 21 ppm e 38 ppm) mostrado na Figura 4 mencionada acima pelo valor de dB que foi calculado na equação (2).

[0082] A Figura 6 é uma vista que mostra a relação entre a distância radial em relação à superfície do lingote de aço e o valor de Ra/Ra₀. Com relação ao número Ra (Ra) em cada teor de Bi, pode-se dizer que Ra/Ra₀ é o cubo de d/d₀, conforme mostrado na seguinte equação (3) derivada da equação (1) mencionada acima. O Ra/Ra0 mostrado nessa Figura foi calculado com base na equação (3).

Ra/Ra0=(d/d0)³ „(3) [0083] Na equação, Ra/Ra₀ é a razão do número Ra (Ra) em cada teor de Bi para o número Ra básico (Ra0 determinado no teste preliminar mencionado acima), e d/d0 é a razão do espaçamento de braço primário de dendrito d de cada lingote de aço que contém Bi para o espaçamento de braço primário de dendrito d0 no ponto crítico da geração de defeitos de sarda do lingote de aço livre de Bi.

[0084] Constatou-se na Figura 5 mencionada acima que o espaçamento de braço primário de dendrito d0 no ponto crítico da geração de

18/20 defeitos de sarda do lingote de aço livre de Bi é de aproximadamente 400 pm. No interior do lingote de aço em que o espaçamento de braço primário de dendrito d é maior que d0, defeitos de sardas são gerados. Por outro lado, quando Bi está contido nos vestígios (10 ppm, 21 ppm e 38 ppm), o espaçamento de braço primário de dendrito d torna-se menor que o espaçamento de braço mencionado acima no ponto crítico d0 em quase toda a área que se estende radialmente a partir da superfície do lingote de aço. Nesse caso, ou quando d/d0<1 é satisfeito, a geração de defeitos de sardas é suprimida. Uma vez que d/d0<1 corresponde a Ra/Ra0<1 na equação (3) mencionada acima, quando reformulada com o uso do número Ra, pode-se dizer que a geração dos defeitos de sardas é suprimida no caso em que Ra/Ra0<1 é satisfeito.

[0085] De acordo com a Figura 6 mencionada acima, uma vez que Ra/Ra₀<1 é satisfeito até uma parte mais profunda (as adjacências do centro do lingote de aço) a partir da superfície do lingote de aço no caso que contém Bi, foi indicado que os defeitos de sardas podem ser selados não somente nas adjacências da superfície do lingote de aço, mas também próximo ao centro, ou a geração de defeitos de sardas pode ser perfeitamente suprimida.

[0086] A partir dos resultados acima, se o teor de Bi é 10 ppm ou mais, a geração de defeitos de sardas pode ser de fato suprimida.

[0087] Além disso, supõe-se a partir da Figura 6 mencionada acima que a área em que Ra/Ra0 é menor que 1 no caso que contém Bi é estendida mais próximo do lado central do lingote de aço do que no caso livre de Bi. Portanto, é bastante possível que o propósito de manter a posição de geração dos defeitos de sardas o mais longe possível da superfície do lingote de aço pode ser alcançado em lados opcionais dos lingotes de aço. No entanto, uma vez que o resfriamento real dos lingotes de aço não é necessariamente executado de maneira uniforme, mas é frequentemente executado de forma irregular, é possível presumir que o espaçamento de

19/20 braço primário de dendrito é parcialmente estendido. A partir daí, é importante definir o teor de Bi em 10 ppm ou mais.

[0088] Além disso, quando o mesmo teste preliminar e a simulação foram executados através da seleção, como o objeto de aço, de um aço de alto teor de carbono de 1,30%C-0,24%Si-0,32%Mn-0,51%Ni9,75%Cr-0,50%Mo-0,11%V, os mesmos resultados foram obtidos.

[0089] Conforme visto acima, o possível efeito através da inclusão de um vestígio (10 ppm ou mais) de Bi nos lingotes de aço foi fornecido.

[0090] Conforme mencionado acima, uma vez que a fragilização se torna problemática na formação dos cilindros através do forjamento se o teor de Bi exceder 100 ppm, o teor de Bi é até 100 ppm.

[0091] Embora o formato do lingote de aço seja um formato cilíndrico nos exemplos mencionados acima, é óbvio que os mesmos efeitos podem ser obtidos mesmo quando se tratar de um formato colunar quadrado.

APLICABILIDADE INDUSTRIAL [0092] De acordo com o método para produção de um cilindro de aço forjado da presente invenção, os defeitos de sardas que são uma macrossegregação gerada durante a fundição dos lingotes de aço podem ser selados mais próximo do centro em relação à superfície do lingote de aço. Portanto, as fissuras que se iniciam a partir da segregação no tratamento térmico dos lingotes de aço podem ser suprimidas, e os cilindros podem ser usados de forma estável por um longo período de tempo uma vez que as linhas de segregação de defeitos de sardas são dificilmente expostas mesmo quando a superfície do cilindro é reparada através de corte para reuso.

LISTA DE NÚMEROS DE REFERÊNCIA

1. Lingote de aço

2. Eletrodo consumável

3. Aço fundido

4. Fragmento

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5. Câmara

6. Molde de fundição

7. Escória fundida

8. Arame de Bi

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para produção de um cilindro de aço forjado, CARACTERIZADO pelo fato de:

fundir, através do método de refusão por eletroescória, um lingote de aço que contém, % em massa, C: 0,3% ou mais, Si: 0,2% ou mais, Cr: 2,0 a 13,0% e Mo: 0,2% ou mais, e, além disso, contém Bi em 10 a 38 ppm em massa; e forjar o lingote de aço em um cilindro.