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Afin d'améliorer la coulabilité de certaines nuances d'acier, du calcium est ajouté pour modifier et contrôler la nature des inclusions d'oxydes et des sulfures présentes dans l'acier. Grâce au traitement au calcium, les inclusions solides provoquant l'obstruction des buses de coulée sont converties en inclusions liquides qui ne bouchent pas les buses. L'injection du fil fourré est devenue l'une des technologies de pointe pour les ajouts de calcium, car elle offre une récupération de calcium plus élevée que d'autres méthodes et son fonctionnement est simple et peu coûteux. Ce travail est divisé en deux axes principaux. La première clarifie les mécanismes de dissolution du fil fourré lors de son injection dans le métal liquide. La deuxième traite du transport du calcium une fois qu'il est libéré dans l'acier, ainsi que de la modification chimique des inclusions par cet élément. Le premier axe s'articule autour de DissolFil, un modèle numérique décrivant les phénomènes thermiques présents au cours du processus d'injection d'un fil fourré dans un bain d'acier liquide. Celui-ci est complété par une étude expérimentale de l'immersion de fils fourrés dans des bains d'acier statiques utile à la validation du modèle. Les résultats de simulation ont mis en évidence l'importance de la vitesse d'injection du fil en tant que paramètre à adapter en fonction de la conception du fil et de la surchauffe du bain d'acier afin d'optimiser la profondeur de libération du calcium dans la poche. Le deuxième axe comprend un modèle de dissolution et du transport du calcium dans une poche d'acier et la modification des inclusions, couplant la mécanique des fluides et la thermodynamique à l'aide des codes de calcul Ansys Fluent (mécanique des fluides) et CEQCSI (thermodynamique). Le modèle a été validé à partir des prélèvements d’acier réalisés lors d’essais industriels spécifiques. Nous montrons que le transfert de masse en couche limite à partir des bulles de calcium vers l'acier liquide est le mécanisme dominant pour la dissolution du calcium. De plus, la modification globale des inclusions solides et liquides dépend fortement du mélange et de l'homogénéisation de la poche et de la composition chimique de l'acier / In order to improve the castability of some steel grades, calcium is added to the liquid steel to modify and control the nature of oxide and sulphide inclusions present in the steel. As a result of the treatment with calcium solid inclusions that provoke clogging of the casting nozzles are converted into liquid ones that do not clog the nozzles. Cored wire injection has matured as one of the leading technologies to perform calcium additions since it offers a higher calcium recovery than other methods and its operation is simple and inexpensive. This work, divided into two main axes, clarifies the mechanisms of dissolution of the cored wire during its injection, the dissolution and transport of calcium once it has been released into the steel ladle, and the chemical modification of inclusions by this element. The first axis revolves around DissolFil, a numerical model describing the thermal phenomena occurring during the process of injection of a cored wire into a liquid steel bath. In parallel, an experimental study of immersion of cored wires into quiescent steel baths that was carried out with the aim of validating the model. The simulation results put into evidence the importance of the wire injection velocity as the operating parameter that needs to be tailored as a function of the wire design and steel bath superheat in order to optimize the release depth of calcium in the steel ladle. The second axis comprises a model of dissolution and transport of calcium in the steel ladle and inclusion modification, coupling fluid-dynamics and thermodynamics by using the Ansys Fluent (fluid-dynamics) and CEQCSI (thermodynamics) calculation codes. The model was validated with data from steel samples obtained in dedicated industrial trials. We highlight boundary layer mass transfer from calcium bubbles into the liquid steel as the dominant calcium dissolution mechanism. Furthermore, the global modification of solid inclusions into liquid ones depends strongly on the mixing and homogenization in the ladle and the steel chemical composition

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O objetivo desta Dissertação foi analisar o efeito do tratamento térmico de alívio de tensões pós-soldagem sobre a microestrutura e comportamento mecânico de soldas produzidas com arame tubular rutílico AWS E-81T1 Ni1. Foi soldada uma junta com 60 mm de espessura, na posição vertical e progressão ascendente. Esta junta foi dividida em três partes, sendo uma mantida como soldada e as outras duas tratadas termicamente por 6 horas em diferentes temperaturas, 585 °C e 650 °C. Avaliou-se o efeito do tratamento térmico sobre as propriedades mecânicas por meio de ensaio de dureza, tração e impacto Charpy-V. A caracterização microestrutural foi realizada por microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura. As observações experimentais mostraram uma diminuição da tenacidade ao impacto no material tratado termicamente, com uma tendência para uma queda maior com o aumento da temperatura do tratamento térmico. Este comportamento pode ser atribuído principalmente à precipitação e crescimento de carbonetos. Não foi observada a presença de mecanismos de fratura intergranular. Provavelmente o metal de solda estudado não possuía nível de impurezas suficiente para a ativação deste mecanismo. / The objective of this Dissertation was to analyze the effect of postweld heat treatment on microstructure and mechanical behavior of welds obtained by flux cored wire AWS E-81T1 Ni1. It was welded a joint with 60 mm thickness, on vertical position and ascendant progress. This joint was divided in three parts, one maintained as welded and two others heat treated for 6 hours on different temperatures, 585 °C and 650 °C. The effect of the heat treatment on mechanical properties was evaluated by means of hardness, tensile and impact Charpy-V tests. The characterization of the microstructure was undertaken utilizing optical and scanning electron microscopy. The experimental results revealed a decrease of impact toughness in heat treated material, with a tendency to a low impact toughness for high heat treatment temperature. This behavior may principally be attributed to an increase precipitation and growth of carbides. No intergranular fracture mechanism was observed. Probably the level of impurities in the weld metal studied was not high enough to provoke such phenomena.

Este trabalho foi desenvolvido no programa de Mestrado Interinstitucional - MINTER - entre a UTFPR e o IFAM, com financiamento da Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES - através do projeto ACAM 1379/2006 e da Superintendência da Zona Franca de Manaus - SUFRAMA - através do convênio 084/2005. / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES- através do projeto ACAM 1379/2006 e da Superintendência da Zona Franca de Manaus - SUFRAMA - através do convênio 084/2005. / Esta pesquisa tem por finalidade analisar a influência de parâmetros do processo de soldagem com arame tubular com proteção gasosa (Gás Shielded Flux Cored Arc Welding - FCAW-G) nas características da solda do aço ASTM A-36. Parâmetros como tensão do arco (V), velocidade de alimentação do arame (Valim) e distância bico de contato-peça (DBCP) foram variados a fim de detectar suas influências sobre a largura, a penetração, o reforço do cordão e a dureza do metal de solda. Além disso, foi determinada a influência desses parâmetros na taxa de deposição do material de adição, sendo ensaiadas, as soldas, quanto às resistências à tração e ao impacto (ensaio Charpy criogênico) para determinar a qualidade recomendada por norma. As medições geométricas dos cordões de solda foram realizadas em macrografias obtidas da seção transversal da solda, por meio de microscópio óptico, bem como as análises da microestrutura. As medições de dureza foram realizadas com durômetro na seção transversal dos cordões. A taxa de deposição, em kg/h, foi determinada pela pesagem dos corpos-de-prova antes e depois da deposição da solda. Verificou-se que, de forma geral, a morfologia do cordão (largura, penetração e reforço) foi grandemente influenciada pela velocidade de alimentação do arame, seguida pela tensão de soldagem e pela distância bico de contato-peça. Da mesma maneira, a taxa de deposição foi influenciada diretamente pela velocidade de alimentação, pela tensão e pela DBCP: a primeira, com um acréscimo significativo (24,08%); a tensão de forma não muito intensa (4,17%). Desta maneira é possível afirmar, com base nos valores dos parâmetros utilizados neste trabalho, que a maior taxa de deposição (4,32 Kg/h), a melhor morfologia do cordão de solda e dureza adequada foram obtidas com Valim de 12,5 m/min, tensão de 34 V e DBCP de 16 mm. / This research aims to analyze the influence of the parameters of Gas Shielded Flux Cored Arc Welding (FCAW-G) on the characteristics of welding steel ASTM A-36. Parameters such as arc voltage (V), feed speed of the wire (Valim) and stickout (distance nozzle contact piece - DBCP) were varied to detect their influence on the width, penetration, reinforcement of the cord, and the hardness of metal weld. Furthermore, it was determined the influence of these parameters on deposition rate of filler metal and the welds were tested for resistance to tensile and impact strength (Charpy test) to determine the quality of the recommended standard. The geometric measurements of weld were carried out in macrographs by the obtained from the cross section of the weld, through an optical microscope as well as the analysis of the microstructure. The hardness measurements were carried out with durometer in cross section of the fillets. The deposition rate in kg/h was determined by weighing the specimen before and after the deposition of solder. It was found that in general the morphology of the cord (width, penetration and reinforcement) was greatly influenced directly by the feed speed of the wire, followed by welding voltage, and stickout. Similarly, the deposition rate was directly influenced by the feed speed, voltage and DBCP, the first with a significant increase (24, 08%), and the tension witch a not so intensive effect (4, 17%). Thus it can be said based on the values of the parameters used in this study that the highest rate of deposition (4,32 kg/h), the better morphology of the weld cord and appropriate hardness was obtained with Valim of 12.5 m/min, voltage 34 V and 16 mm DBCP .

O objetivo desta Dissertação foi analisar o efeito do tratamento térmico de alívio de tensões pós-soldagem sobre a microestrutura e comportamento mecânico de soldas produzidas com arame tubular rutílico AWS E-81T1 Ni1. Foi soldada uma junta com 60 mm de espessura, na posição vertical e progressão ascendente. Esta junta foi dividida em três partes, sendo uma mantida como soldada e as outras duas tratadas termicamente por 6 horas em diferentes temperaturas, 585 °C e 650 °C. Avaliou-se o efeito do tratamento térmico sobre as propriedades mecânicas por meio de ensaio de dureza, tração e impacto Charpy-V. A caracterização microestrutural foi realizada por microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura. As observações experimentais mostraram uma diminuição da tenacidade ao impacto no material tratado termicamente, com uma tendência para uma queda maior com o aumento da temperatura do tratamento térmico. Este comportamento pode ser atribuído principalmente à precipitação e crescimento de carbonetos. Não foi observada a presença de mecanismos de fratura intergranular. Provavelmente o metal de solda estudado não possuía nível de impurezas suficiente para a ativação deste mecanismo. / The objective of this Dissertation was to analyze the effect of postweld heat treatment on microstructure and mechanical behavior of welds obtained by flux cored wire AWS E-81T1 Ni1. It was welded a joint with 60 mm thickness, on vertical position and ascendant progress. This joint was divided in three parts, one maintained as welded and two others heat treated for 6 hours on different temperatures, 585 °C and 650 °C. The effect of the heat treatment on mechanical properties was evaluated by means of hardness, tensile and impact Charpy-V tests. The characterization of the microstructure was undertaken utilizing optical and scanning electron microscopy. The experimental results revealed a decrease of impact toughness in heat treated material, with a tendency to a low impact toughness for high heat treatment temperature. This behavior may principally be attributed to an increase precipitation and growth of carbides. No intergranular fracture mechanism was observed. Probably the level of impurities in the weld metal studied was not high enough to provoke such phenomena.

Calcium treatment is an established operation in the production of steels. Most importantly, it serves to modify detrimental inclusions in the melt for improved castability and superior product properties. Due to calcium’s low melting point and high vapour pressure, its addition to liquid steel is challenging and yields are generally low. The current standard method for addition is cored wire feeding, in which a calcium-bearing compound is injected into the melt inside a sacrificial metal tube. The depth at which the compound is released has a pronounced impact on its yield and depends on the rate at which the wire is injected. A mathematical model is constructed to predict the time after which release occurs and thus estimate injection depth. It is based on one-dimensional heat transfer and respects phase change effects, i.e., solidification of melt on the cold wire surface and subsequent melting of the wire and compound. Equations are derived using the finite difference method and the model is solved numerically using an implicit method. The model is applied to two different steel grades – one austenitic (AISI 316L), one super-duplex (SAF 2507) – and predictions are tested for the former grade in a 75-ton industrial ladle furnace. Results indicate that a decreased feeding rate (<100 m/min) leads to better calcium yield. Positive effects were also observed with downward melt stirring and a good slag coverage. Improved yield can lead to savings in process and material cost. The results also provide insights into the cored wire feeding process which may be useful for future process development, both for calcium and other additions. / Kalciumbehandling är en etablerad process vid tillverkning av stål. Framförallt används den för modifieringen av skadliga inneslutningar i smältan för att förbättra gjutbarheten och produktegenskaper. På grund av kalciums låga smältpunkt och höga ångtryck är det svårt att tillsätta det till flytande stål och utbytet är i allmänhet låg. Den nuvarande standardmetoden för tillsats är inmatning av tråd, där ett kalciumhaltig ämne matas in i smältan inuti en metallhölje som smälter bort. Djupet på vilket ämnet frigörs påverkar utbytet och beror på hur snabbt tråden matas. En matematisk modell konstrueras för att beräkna den tid efter vilken frisättning sker. Den bygger på endimensionell värmeöverföring och tar hänsyn till fasförändringseffekter, dvs. stelning av smältan på den kalla trådytan och smältning av tråd och kalciumämne efteråt. Ekvationer härleds med hjälp av finita differensmetoden och modellen löses numeriskt med hjälp av en implicit metod. Modellen tillämpas på två olika stålsorter – en austenitisk (AISI 316L) och en superduplex (SAF 2507) – och förutsägelser testas för den förstnämnda sorten i en 75-tons industriell skänkugn. Resultaten visar att en minskad matningshastighet (< 100 m/min) leder till ett ökat kalciumutbyte. Positiva effekter observerades med nedåtgående smältomrörning och god slaggtäckning. Ett förbättrat utbyte kan leda till besparingar i fråga om process- och materialkostnader. Resultaten ger också insikter i processen för inmatning av tråd, vilket kan vara användbart för framtida processutveckling, både för kalcium och andra tillsatser.

A utilização do eletrodo tubular no processo de soldagem a arco submerso leva a um aumento na produtividade com um custo relativamente baixo, pois não requer investimentos complementares em equipamentos. A mudança do eletrodo sólido para o tubular acarreta variações microestruturais no metal de solda que influenciam as propriedades mecânicas, tais como dureza, tração e tenacidade ao impacto. Este trabalho tem como objetivo principal estudar a tenacidade à fratura dinâmica do metal de solda, mostrando que o uso do eletrodo tubular diminui a propagação de trincas ao impacto, além de melhorar as propriedades de dureza e tração. Para a confecção da junta soldada foi utilizado o aço ASTM-A516 com espessura de 37,5 mm; para o metal de solda, o eletrodo sólido AWS EM12K, com diâmetro de 4,0 mm, e fluxo AWS F6A4 e o eletrodo tubular AWS E71T-5, com diâmetro de 4,0 mm, fabricado em caráter experimental, untamente com os fluxos AWS F6A4 e AWS F7A8 (Fluxo Neutro). Os ensaios de impacto, dureza e tração foram realizados em corpos de prova com e sem alívio de tensão, e o ensaio Charpy instrumentado em corpos de prova entalhados e em corpos de prova entalhados e com trinca por fadiga, nas temperaturas de 25, 200, 400 e 600OC. O metal de solda utilizando eletrodo sólido foi o que mostrou menor percentual de ferrita acicular (54%), enquanto que o utilizando eletrodo tubular e fluxo AWS F6A4 foi o que mostrou maior percentual de ferrita acicular (89%). Os ensaios de dureza mostraram uma influência do microconstituinte ferrita acicular: maior dureza para o maior percentual de ferrita acicular. Os limites de resistência e de escoamento também sofreram o efeito deste microconstituinte, apresentando maiores valores quando os percentuais de ferrita acicular foram maiores. Para a análise da tenacidade para o início de propagação da trinca foram utilizados os métodos da variação da taxa da flexibilidade elástica, o método da energia da carga máxima revisada e o método da energia da carga máxima. Foram calculados os valores de JId e de KJd (K derivado de J). Os únicos valores validados, de acordo com a norma, foram os de JId calculados pelo método da variação da taxa da flexibilidade elástica. Os resultados encontrados, utilizando este método, mostraram, à 600OC, a influência da ferrita acicular, sendo que o metal de solda com maior percentual deste microconstituinte forneceu maior valor de tenacidade. Os valores de JId utilizando o método da variação da taxa da flexibilidade elástica para os corpos de prova com trinca por fadiga ficaram próximos aos resultados encontrados quando o ensaio foi realizado em corpos de prova somente entalhados. Os resultados mostraram que a substituição do eletrodo sólido pelo tubular levou à maior tenacidade e a propriedades mecânicas superiores. / The cored wire application in the submerged arc welding process leads to a increase productivity with relative low cost, because it doesn’t require complementary investments in equipments. Changing from solid to cored wire promotes microstructural modification in the weld metal that enhances mechanical properties, such as hardness, stretching and impact toughness. The principal aim of this work is to study the dynamic fracture toughness of the weld metal. The use of cored wire reduces the impact crack propagation, as well as hardness and strength properties. The welded plate was composed of ASTM-A516 steel with 37.5 mm thickness and for making the weld metal was utilized AWS EM12K wire, with 4.0 mm diameter, and AWS F6A4 flux, and AWS E71T-5 cored wire, with 4.0 mm diameter, making in experimental mode, with AWS F6A4 and AWS F7A8 (Neutral Flux) fluxes. Impact, hardness and tensile tests were carried out in specimens with and without stress relief. The instrumented Charpy tests were carried out at notch and notch plus fatigue crack specimens, at 25, 200, 400 and 600OC temperatures. The solid wire weld metal produced 53.9% of acicular ferrite, while the cored wire weld metal and AWS F6A4 flux produced 88.8% of acicular ferrite. The hardness values were influenced by acicular ferrite and showed higher hardness for acicular ferrite higher values. Tensile strength and yield stress data suffered the same effect of this micro constituent also, they had bigger amount when the acicular ferrite percentiles were bigger. For toughness analysis to crack propagation start were utilized the compliance changing rate method, the energy revised method, and the maximum load energy method. JId and KJd (K derived of J) values were calculated according to the standards. The results met for this method had acicular ferrite influence at 600OC, where the weld metal with the biggest micro constituent had bigger toughness value. The JId values utilized the compliance changing rate method for the precracked specimen got values near to the notched specimen. The change solid wire by the cored wire had better toughness, and it gets better the other mechanical properties.

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / CoordenaÃÃo de AperfeÃoamento de Pessoal de NÃvel Superior / A soldagem multipasse de chapas grossas impÃe à junta soldada um estado de tensÃes residuais que pode ser muito prejudicial quando estas estÃo em serviÃo. Existem vÃrios fenÃmenos capazes de alterar os nÃveis de tensÃes residuais de soldagem nos materiais, um deles à a transformaÃÃo de fases. Este trabalho apresenta um estudo comparativo dos nÃveis de tensÃes residuais em trÃs juntas soldadas, produzidas com metais de adiÃÃo diferentes pelo processo arame tubular. Um arame eletrodo de aÃo inoxidÃvel martensÃtico Fe-12%Cr-5%Ni com baixa temperatura de transformaÃÃo foi o primeiro a ser utilizado, o segundo, um aÃo inoxidÃvel austenÃtico Fe-18,5%Cr-10%Ni, e finalmente, um aÃo baixa liga Fe-1,25%Cr-0,5%Mo. No processo de soldagem foi utilizada uma bancada robotizada com fonte multiprocesso para confecÃÃo das juntas, sendo o aÃo ABNT 4140 o metal de base. As tensÃes residuais foram medidas na superfÃcie das juntas soldadas atravÃs do mÃtodo de difraÃÃo de raios-X. TambÃm foram avaliadas as seguintes propriedades mecÃnicas; resistÃncia à traÃÃo, tenacidade e microdureza, bem como, as microestruturas resultantes na zona fundida, zona afetada pelo calor e metal de base. Os resultados mostraram que a junta produzida com arame eletrodo que sofreu transformaÃÃo martensÃtica a baixa temperatura apresentou nÃveis considerÃveis de tensÃo residual compressiva, ao contrÃrio das demais juntas que apresentaram tensÃo residual trativa na maioria dos pontos medidos. Nos ensaios de traÃÃo, a junta de baixa temperatura de transformaÃÃo martensÃtica apresentou elevados limites de escoamento e de resistÃncia à traÃÃo, e a sua ruptura ocorreu na interface entre o metal de base e o metal de solda. Nos ensaios de impacto da mesma junta, os valores de energia absorvida no metal de solda e zona termicamente afetada se apresentaram relativamente baixos. / The multi-pass welding of thick plates imposes to the welded joint a state of residual stresses that can be very harmful when they are in service. There are various phenomena that can alter the levels of residual stresses after materials welding; one of them is phase transformation. This work presents a comparative study of the levels of residual stresses in three welded joints, produced with different filler metals by Flux Cored Arc Welding (FCAW). A martensitic stainless steel wire Fe-12% Cr-5% Ni with low transformation temperature was the first to be used. After this an austenitic stainless steel Fe-18.5% Cr-10% Ni was used and finally a low alloy steel Fe -1.25% Cr-0.5% Mo. In the welding process, we used a workbench robot with multiprocess source for making joints, and the AISI 4140 the base metal.. Residual stresses were measured on the surface of welded joints using X-ray diffraction method. Tensile strength, toughness and hardness, as well as the resultant microstructure in weld metal, heat affected zone and base metal were evaluated. The results showed that the joint produced with wire electrode that has undergone low temperature martensitic transformation presents significant levels of compressive residual stress, unlike the other joints which present tensile residual stress at most of the measured points. In tensile tests, the joint of martensitic stainless steel showed high yield limits and tensile strength, and its rupture occurred at the interface between base metal and weld metal. Results of the impact tests of this joint showed relatively low absorbed energy values at the weld metal and heat affected zone.