Transverse cracking of micro-alloyed steel slabs during continuous casting, handling and charging into the hot strip mill

Shafy, Hossam GND

Stahl ist einer der weltweit wichtigsten Werkstoffe in Bezug auf Nachfrage und wirtschaftliche Auswirkungen und wird in vielen Anwendungen als unersetzlich angesehen. Materialfehler während der Stahlproduktion führt zu Unterbrechungen des Nonstop-Produktionsprozesses, was zu einer verringerten Produktionseffizienz oder sogar zu Materialverlust und Anlagenschäden führt. In einem Weltproduktionsmaßstab; Energie-, Zeit- und Materialverluste durch Risse an Stahlbrammen kosten die Stahlindustrie jedes Jahr Hunderte Millionen Euro. Einer der gravierenden Defekte bei der Brammenqualität und Kontinuität des geplanten Walzprogramms ist die Oberflächenquerrissbildung beim Stranggießen, Transport/Lagerung oder Warmwalzen. Mikrolegierte Stahlsorten sind eine der anfälligsten Sorten, die aufgrund der Ausscheidung feiner Partikeln in kritischen Größen und Verteilungen für diese Art von Versagen anfällig sind. Die Defektmöglichkeit ist nach Ferritbildung in niedrigen Temperaturbereichen höher. Weitere kritische Effekte beim Abkühlen einer Bramme treten später im Brammenlager oder durch Wiedererwärmung in der Warmbandstraße auf. Das Verständnis der Bedingungen, die zu Rissen führen, und die Durchsicht ihrer Verhinderung/Vorhersage stehen im Fokus des Interesses, da die Vermeidung von Rissen enorme finanzielle Auswirkungen hat, indem sie den Energieverbrauch sowie unter Umweltaspekten reduziert. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, die möglichen Ursachen für die Querrissentstehung in Stahlbrammen ausgesuchter rissempfindlicher Sorten durch einen industriellen Ansatz in einem integrierten Hüttenwerk zu analysieren und zu bewerten, um diesen als Grundlage für ein Vorhersagemodell zur Rissentstehung in Brammen zu nutzen. Basis dazu waren neben der Analyse von Betriebsdaten auch Laboruntersuchungen an diesen kritischen Sorten. Rissempfindliche Sorten unterliegen im betrieblichen Ablauf speziellen Vorschriften für das Stranggießen (Gießgeschwindigkeit, Sekundärabkühlung) und das Handling im Brammenlager und der Lagerung bis zum Einstoß in die Wiedererwärmöfen im Warmwalzwerk. Die statistische Analyse der über mehrere Jahre defekten/gerissenen Brammen ermöglichte die Erfassung der Temperatur- und Umformungshistorie der Bramme und mögliche Abweichungen von den für diese Sorten geltenden Vorgaben. Kritische Parameter konnten definiert, klassifiziert und nach ihrem Einfluss auf das Rissrisiko eingestuft werden. Die Auswirkung von (erkannt kritischen) Prozessschwankungen/-störungen auf die Querrissbildung wurde untersucht und bewertet für die zwei Stahlsorten Alloy-1 (0,08% C, 0,12% Ti und 0,05% Nb) und Alloy-0 (0,08% C und 0,001% Ti). Die während des Stranggießens auftretenden Defekte wurden durch Warmzugversuche, die im Umform-dilatometer DIL805 A/T durchgeführt wurden, Mikrostrukturuntersuchungen und Simulation der Ausscheidungskinetik von Ti- und Nb-Karbonitride mit MatCalc Software untersucht. Darüber hinaus wurde ein FEM-Temperaturmodell (Finite Elemente Methode) mit Abaqus CAE entwickelt, um die Temperaturprofile auf verschiedenen Brammenbereichen während der Brammenabkühlung auf verschiedenen Erzeugungsrouten zu berechnen. Die validierte Temperaturvorhersage half dabei, die Auswirkung verschiedener Routen - entsprechend der geplanten Einstoßtemperatur in die Warmbandstraße - auf die Phasenumwandlung und die Materialeigenschaften vor dem Ofeneinsatz zu beschreiben. Schließlich wurden die kritischen Situationen während der Produktion - die möglicherweise zu Rissen führen - definiert, erklärt und durch die industrielle Analyse bestätigt. Die Rissmechanismen dieser Stahlsorten können vorhergesagt und als Grundlage für die Erweiterung auf weitere kritische Sorten genutzt werden.

Steel is still one of the most important materials worldwide in terms of demand and economic impact and considered irreplaceable in many applications. Products/parts made of steel can be found mainly in the automotive and transport areas, construction as well as household appliances. Material defects during steel production and downstream cause interruptions to the nonstop production process resulting in reduced production efficiency or even material loss and machinery damage. In a world production scale; energy, time and material loses due to steel slab cracking costs the steel industry hundreds of millions of euros every year. One of the serious defects facing slab quality and continuity of the planned rolling schedule is surface transverse cracking during continuous casting (CC), transportation/storage or hot rolling. Micro-alloyed steel grades are one of the most susceptible grades prone to this kind of failure due to precipitation of fine particles in critical sizes and distribution. The defect possibility is higher after ferrite formation at lower temperature ranges. Other critical effects during slab cooling emerge later on in the slab storage area or by reheating in the hot strip mill (HSM). Understanding the conditions leading to cracking and perusing its prevention/prediction is in the focus of interest as crack avoidance has an enormous monetary impact by reducing the energy consumption as well as from environmental aspects. The main objective of this work is to understand and evaluate the potential cracking reasons of steel slabs of the crack sensitive grades (CSG) through an industrial approach in a steel plant. This is considered the base for a prediction model for slab cracking behaviour based on both industrial and laboratorial results. CSG follow a special casting and handling set of regulations in terms of casting speed, secondary cooling, stockyard handling and temperature for charging into the reheating furnaces. The statistical analysis of the defected/cracked slabs enlightened the slab temperature and deformation histories and possible deviations from ideal/set production instructions. Critical failure parameters were defined, classified and ranked according to their influence on the cracking risk. The effect of process variations and disturbances on surface cracking for the two steel grades; Alloy-1 (0.08% C, 0.12% Ti and 0.05% Nb) and Alloy-0 (0.08% C and 0.001% Ti) was evaluated. The defects during the CC process were studied by hot tensile testing (Baehr DIL805 A/T), microstructure investigation, and simulation of precipitation kinetics of Ti- and Nb-carbonitrides using MatCalc software. Furthermore, a FEM (finite element method) temperature model (by Abaqus CAE) was developed to evaluate temperature profiles on different slab regions during slab cooling at different handling routes. The validated temperature prediction helped to study the effect of different routes - according to the planned charging temperature into the HSM - on phase transformation and material properties before furnace charging. Finally, the critical situations during production that possibly lead to cracking were defined, explained and confirmed by industrial analyses. The cracking mechanisms of these types of steel grades could be predicted and will be used as a base for the extension to further critical grades.

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Shafy, Hossam: Transverse cracking of micro-alloyed steel slabs during continuous casting, handling and charging into the hot strip mill. Clausthal-Zellerfeld 2021. TU Clausthal.

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