Análisis de Falla en Rodillos de Laminación en Caliente

FAILURE ANALYSIS OF HOT STRIP MILL ROLLS Héctor Sbuttoni1 1 Luis Reda Horacio Fernández1 1 Javier Laugero

ABSTRACT This paper shows by means of failure analysis the mechanisms for fracture and breakage of rolls belonging to the Siderar’s Hot Strip Mill. Six case studies are detailed, describing different mechanisms. Generally speaking, the methodology for this type of failure analysis includes fracture study, use of light microscope and SEM, metallographic replication, chemical analysis and hardness measurement.

1) IAS, Argentina 2) Siderar

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ANÁLISIS DE FALLA EN RODILLOS DE LAMINACIÓN EN CALIENTE 1

Héctor Sbuttoni Luis Reda1 2 Horacio Fernandez Javier Laugero1

RESUMEN El trabajo pretende mostrar mediante el análisis de falla los mecanismos de rotura que originan fracturas en rodillos  pertenecientes al tren continuo de laminación en caliente de SIDERAR S.A.I.C. planta San Nicolás. Se describen 6 casos, los cuales presentan diferentes mecanismos de rotura. En general la metodología de trabajo incluye: estudio fractográfico, microscopia óptica y electrónica, replica metalográfica, análisis químico y dureza.

INTRODUCCIÓN El tren de laminación de chapas en caliente de SIDERAR S.A.I.C. cuenta con 11 stand, de los cuales el primero corresponde al rompescamas (RSB), los cuatro siguientes son de desbaste (R1, R2, R3 y R4), y los últimos son de terminación ( F5, F6, F7, F8, F9 y F10). Además hay rodillos de trabajo que son los que se encuentran en contacto con la chapa y rodillos de respaldo que se ubican sobre los rodillos de trabajo para evitar deformaciones en los  primeros. En los últimos 3 años se han producido roturas de rodillos en diferentes stand y tanto en rodillos de trabajo como de respaldo. El hecho de estudiar cada una de estas fallas nos lleva a determinar que el origen de las mencionadas roturas es debido a diferentes mecanismos originados tanto en defectos de fabricación, defectos superficiales inducidos o por sobreesfuerzos durante el proceso. Como es de suponer cada stand cumple una determinada función con esfuerzos mecánicos bien diferenciados, por este motivo es que los rodillos se fabrican de diferentes materiales y procesos de fabricación. Los estudios realizados nos demuestran que varias de las roturas de los rodillos se podrían haber evitado mediante controles con END tanto durante la recepción del producto nuevo como durante el servicio. Como se mencionó anteriormente las diferentes exigencias de cada caja hacen que los rodillos utilizados tengan mayor rendimiento de acuerdo a su tipo de construcción y dureza superficial. A continuación detallamos las generalidades de cómo se especifican y compran para las diferentes ubicaciones de servicio. RSB Fundición nodular perlítica. Dureza 46 SH”C” R1 Acero fundido aleado. Dureza 42 SH”C. R2/R3 Acero fundido aleado. Dureza 81 SH”C. R4/F5/F6/F7 Hierro fundido doble colada de alto cromo. Dureza 72 SH”C. F8/F9/F10 Hierro fundido microaleado. Dureza 72 SH”C. Respaldo Acero fundido doble colada o acero forjado. Dureza 64 SH”C. Mencionamos a continuación una lista de los principales proveedores. Como proveedor nacional podemos nombrar a Fundición San Cayetano; en el caso de los internacionales mencionaremos a los siguientes: Fundición Nodular – España, Villares – Brasil, Akers – Suecia, Gonterman – Alemania, EWS – Australia. En líneas generales los espesores de los planchones a la entrada del tren oscilan entre 180 – 200 mm, siendo reducidos durante el proceso entre 1.60 a 12.50 mm de espesor de las chapas. Se analizaron los siguientes casos: rodillo de respaldo N° 44052, rodillo de trabajo R141717, rodillo de trabajo R3 59771, rodillo de trabajo F5 82320 (Posición inferior), rodillo de trabajo F8 88757 (Posición superior), rodillo de trabajo F10 587754.

EJEMPLO 1: Estudio de falla un rodillo de respaldo Nº 44052. 1-1.DESARROLLO: En la siguiente figura se muestran las dos partes en las que quedó fraccionado el rodillo en estudio. En las figuras 2, 3 y 4, se muestran detalles de la superficie de rotura, que corresponde a la menor de las  partes en que quedó dividido el rodillo. Analizando las figuras anteriores podemos diferenciar, de acuerdo al análisis fractográfico, tres zonas bien diferenciadas que enumeramos con la misma secuencia en que se fueron desarrollando. En primer término existe un claro punto de inicio sobre una pequeña zona con marcas que revelan fatiga (zona 1). Esto corresponde a un proceso lento y bajo la acción de esfuerzos alternados. La segunda etapa indicada en las figuras anteriores (zona 2), corresponde a otra velocidad de rotura que si bien no fue instantánea, fue mucho mas rápida que anterior. La tercer y última zona ind icada (zona 3), es la llamada zona última de rotura y es la ocurrida en forma instantánea y que produjo el desenlace final. 3) 4)

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Figura 1. Vista general del rodillo roto.  Figure 1. General view of the broken roll.

Figura 2. Superficie de rotura.  Figure 2. Fractured  surface.

Figura 3. Detalle de la figura 2.  Figure 3. Detail of  figure 2.

Figura 4. Detalle de la figura 3. Zona de fatiga.  Figure 4. Detail of figure 3.  Fatigue zone.

Continuando con el análisis, vemos en las figuras 5 y 6 que en la superficie del rodillo y en coincidencia con el inicio por fatiga, existen irregularidades superficiales. Para comprobar el origen de dichas irregularidades, se tomaron réplicas metalográficas en diferentes puntos de esta zona.

Figura 5. Zona con irregularidades superficiales.  Figure 5. Zone with surface irregularities.

Figura 6. Detalle de la figura 5.  Figure 6. Detail of figure 5.

Figura 7. Zona donde se extrajeron las réplicas metalográficas.  Figure 7. Zone for extraction of metallographic replications.

1.2-.RÉPLICAS METALOGRÁFICAS : Con el objeto de conocer la microestructura adyacente al inicio de la falla, del material en la zona de poros y de una zona alejada a las anteriores, se procedió a la obtención de réplicas metalográficas. Las zonas donde se extrajeron las réplicas se muestra en la figura 7. A continuación detallamos los resultados del análisis micrográfico no destructivo realizado en las zonas antes descriptas.

Réplica Nº 1 - Zona alejada del inicio. Esta zona presenta un bandeado tal como se puede observar en la figura 8. La estructura es de martensita revenida fuera de las bandas y de martensita revenida con bainita revenida en el interior de las bandas (ver figura 9). •

Figura 8.  Figure 8. •

Figura 9. Estructura de martensita revenida.  Figure 9. Structure of tempered martensite.

Réplica Nº 2 - Zona de poros.  Fuera de la zona de poros se observa una estructura de martensita revenida

(ver figura 10). En la zona de poros se observan dos regiones bien diferenciadas, una tipo punto de soldadura y la otra zona afectada por el calor (ver figura 11).

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Figura 10. Martensita revenida alrededor de los poros.  Figure 10. Tempered martensite around the pores. •

Figura 11.  Figure 11.

Réplica Nº 3 - Zona de inicio de la Falla. Al igual que en la Réplica Nº 1 se observa estructura

martensítica con bandas (ver figura 12). La estructura es martensita revenida y en el interior de las bandas (zonas segregadas) bainita revenida (ver figura 13).

Figura 12. Martensita con bandas de bainita revenida.  Figure 12. Martensite with bands of tempered bainite.

Figura 13. Detalle de la figura 12.  Figure 13. Detail of figure 12.

1.3-.CONCLUSIONES: Las superficies de rotura revelan un claro inicio ubicado en una zona de fatiga, que por su condición de proceso lento es la primera de la etapas en las que se dividió la falla. En una segunda etapa la rotura se  propagó a mayor velocidad pero sin llegar a ser instantánea. Por último la rotura final, que se produjo en forma instantánea, abarca más del 80% de la superficie resistente. En la superficie del rodillo y en coincidencia con la zona de inicio por fatiga, se detectaron irregularidades (poros) que se analizaron por medio de réplicas metalográficas. Estas revelaron que no existe cambio microestructural entre la zona alejada a la falla y la zona de inicio. Pero por otro lado en la zona de poros se aprecia una especie de fusión localizada (entendemos producida por arco eléctrico) con otra microestructura presente. Esta diferencia de estructuras hará que exista una región con diferentes comportamientos mecánicos que pueden derivar en fisuras por fatiga.

EJEMPLO 2: Análisis de falla en rodillo R1 41717. 2.1.-DESARROLLO: En las siguientes figuras se muestran vistas generales de ambas superficies de rotura.

Figura 14. Superficie de rotura.  Figure 14. Fractured surface.

Figura 15. Superficie de rotura (opuesta a figura 14).  Figure 15. Fractured surface (opposed to figure 14).

Del análisis de la superficie de rotura comenzamos por detallar una zona ubicada aproximadamente en el centro del rodillo, la misma presenta una textura diferente al resto de la fractura. Esta zona es mostrada en las figuras 16 y 17.

Figura 16. Zona con textura diferente al resto de la falla.  Figure 16. Zone with texture different to the rest of the  failure.

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Figura 17. Detalle de la figura 16.  Figure 17. Detail of figure 16.

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Como podemos apreciar esta zona corresponde a un defecto que venía originalmente con el rodillo. La especie de dendritas vistas en detalle en la figura 4 nos indica que se trata de material que no estaba adherido, dado que este tipo de superficie es característica del enfriamiento del material y no a la de una superficie de rotura. En la figura 18 y 19 vemos unas claras marcas de fatiga que tienen su origen en el defecto antes detallado.

Figura 18. Zona con marcas de fatiga.  Figure 18. Zone with fatigue marks.

Figura 19. Otra zona, aledaña a la de la figura 18, con marcas de fatiga.  Figure 19. Other zone, close to that shown in figure 18, with fatigue marks.

Estas marcas nos indican los sucesivos arranques y paradas de los frentes de fatiga, y además, que el avance es desde el centro hacia la superficie del rodillo. Sobre muestras extraídas del rodillo se realizaron análisis micrográficos con el fin de determinar el estado microestructural del mismo. De las observaciones realizadas en microscopio óptico se determinó que la microestructura esta constituida en su totalidad por granos de perlita fina y gruesa, no detectándose anormalidades metalúrgicas que puedan atribuirse a la falla. En las figuras 20, 21 y 22 mostramos la estructura observada en el material del rodillo.

Figura 20. Estructura metalográfica. 64X.  Figure 20. Metallographic structure. 64X.

Figura 21. Detalle de la figura 20. 256X.  Figure 21. Detail of figure 20. 256X.

Figura 22. Detalle de la figura 21. 640X.  Figure 22. Detail of figure 21. 640X.

Figura 23. Superficie de rotura. 17X.  Figure 23. Breakage surface. 17X.

La superficie del defecto detallado anteriormente (figuras 16 y 17), fueron analizados con microsonda EDAX, la superficie de dicho defecto observada en microscopio electrónico se ilustra en la figura 10. En las siguientes tablas se indican los resultados de los análisis realizados con la microsonda EDAX. En ventanas sobre el acero (dos análisis): •

•

Elemento

Cr%

Mn%

Fe%

Análisis 1

1,09

0,91

98,00

Elemento

Cr%

Mn%

Fe%

Análisis 2

1,12

0,97

97,91

En ventanas sobre la fractura (dos análisis):

Elemento

Cr%

Mn%

Fe%

Análisis 3

1,56

1,30

97,14

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Elemento

Cr%

Mn%

Fe%

Análisis 4

1,45

1,19

97,37

Los diferentes análisis revelan que no existen en la superficie del defecto elementos diferentes a los encontrados en el material del rodillo. De acuerdo a esto, entendemos que esta falta de adherencia es debida a un atrape de gas.

2.2-.CONCLUSIONES. El rodillo rompe por la reducción del área resistente, producto del avance de los frentes de fatiga originados en un defecto interno. Este defecto interno viene de origen con el rodillo y corresponde a una falta de adherencia o rechupe, los análisis ópticos y electrónicos, además, revelan que no existen anormalidades metalúrgicas que pueden atribuirse a dicho defecto. Las marcas de fatiga observadas nos indica que el inicio se produce en el defecto interno antes mencionado, y avanzan hacia la superficie del rodillo. El resto de la fractura se produce en forma instantánea debida a la reducción del área resistente ocasionada por la suma del defecto interno y las fisuras por fatiga.

EJEMPLO 3: Análisis de falla en rodillo R3 59771. 3.1-.DESARROLLO. Del análisis de la superficie de rotura vemos que no existen defectos anteriores a la falla como procesos de fatiga o defectos de fundición. El total de la rotura se produjo en forma rápida y de acuerdo a los  planos en los que se desarrolló la fractura vemos que no se trata de flexión pura sino que también intervienen esfuerzos de torsión. En las siguientes figuras mostramos diferentes zonas de las superficies de rotura.

Figura 24. Superficie de rotura.  Figure 24. Fractured surface.

Figura 25. Superficie de rotura.  Figure 25. Fractured surface.

Figura 26. Superficie de rotura.  Figure 26. Fractured surface.

Figura 27. Superficie de rotura.  Figure 27. Fractured surface.

Sobre una muestra extraída de la zona de rotura se realizaron análisis micrográficos observándose que la estructura esta conformada por granos de martensita con pequeños carburos globulares y carburos del eutéctico rodeando a los mismos. Se observa, además, en la superficie deformada, incipientes fisuras y en el centro de la muestra una fisura del tipo intergranular que ilustramos en las figuras siguientes. De acuerdo a los tipos de fisuras y de cómo se produce el avance de las mismas (intergranular) se deduce que son de origen térmico.

Figura 28. Superficie deformada con grietas. 25X.  Figure 28. Deformed surface with cracks. 25X.

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Figura 29. Detalle de la figura 28. 64X.  Figure 29. Detail of figure 8. 64X.

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Figura 30. Fisura intergranular. 25X.  Figure 30. Intergranular crack. 25X.

Figura 31. Detalle de la figura 30. 64X.  Figure 31. Detail of figure 30. 64X.

Figura 32. Detalle de la figura 31. 256X.  Figure 32. Detail of figure 31. 256X.

Figura 33. Detalle de la figura 32. 640X.  Figure 33. Detail of figure 32. 640X.

3.2-.CONCLUSIONES: El rodillo rompe en forma instantánea por la acción de un sobreesfuerzo mecánico, se observan características en la superficie de rotura que nos indican esfuerzos de flexión y torsión. La superficie de rotura no presenta defectos anteriores a la rotura tales como defectos de fabricación o avance de fisuras por fatiga. Microscópicamente se observan fisuras superficiales cuyos avances intergranulares nos indican que corresponden a fisuras de origen térmico. Además no se encontraron anormalidades metalúrgicas en el material que puedan atribuirse a la falla.

EJEMPLO 4: Análisis de falla rodillo de laminación del puente F5 posición inferior Nº 82320. 4.1-.DESARROLLO. En las figuras siguientes mostramos en forma general el estado en el que quedó el rodillo.

Figura 34. Vista general.  Figure 34. General view.

Figura 35. Otra vista general.  Figure 35. Another general view.

Analizando toda la rotura, no se detectaron marcas de fatiga o de proceses lentos en el desarrollo de la fractura. Las marcas observadas indican que el inicio de la falla se ubica en la interfase de los dos materiales, producto de la doble colada con la que se fabricó, ocasionada por una sobrepresión. Por otra parte la superficie de rotura presenta dos zonas bien diferenciadas. En una se ve que se trata de fractura del material y otra donde el aspecto no es de fractura sino de material despegado, esta parte es justo en la interfase de los dos materiales.

Figura 36. Vista de los dos aspectos de la rotura.  Figure 36. View of the two aspects of the breakage.

Figura 37. Detalle de la figura 36.  Figure 37. Detail of figure 36.

A continuación mostramos de diferentes ángulos otra serie de imágenes donde se aprecia la diferencia de textura que  presenta la rotura del rodillo. Producto de la falla, un trozo del rodillo se desprendió, y en el se ven nuevamente los dos aspectos de la rotura que reproducimos en las figuras siguientes.

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Figura 38. Vista de la rotura.  Figure 38. View of the breakage.

Figura 39. Otra vista de la rotura.  Figure 39. Another view of the breakage.

Figura 40. Vista del trozo desprendido.  Figure 40. View of the detached fragment.

Figura 41. Otra vista del trozo de la figura 40. Figure 41. Another view of the fragment in figure 40.

Figura 42. Detalle de la zona de fractura.  Figure 42. Detail of the fracture zone.

Figura 43. Detalle de zona de despegue.  Figure 43. Detail of the detachment zone.

Del trozo de rodillo despegado que se mostró en las figuras 40,41, 42 y 43 se extrajo una muestra para el análisis micrográfico. Antes de detallar este estudio, es importante mencionar las grieta de origen térmico que se ven en esta muestra, y la poca profundidad de las mismas en comparación con el espesor total de la capa dura del rodillo. En el estudio metalográfico se determinó que la estructura corresponde a una fundición blanca constituida por bandas de cementita en una matriz conformada por martensita y perlita con incipiente esferoidización. Por otro lado vemos que las fisuras de origen térmico son de poca profundidad como ya se había visto anteriormente.

Figura 44. Cuarteado en la superficie del rodillo.  Figure 44. Thermal cracking on roll surface.

Figura 45. Otra vista de las Figura 46. Progreso de grietas de origen térmico de fisuras térmicas. la figura 44.  Figure 46. Propagation of  Figura 45. Another view of thermal cracks. thermal cracks of figure 44.

Figura 47. Detalle de la figura 46.  Figure 47. Detail of  figure 46.

Figura 48 - Estructura 256X.  Figure 48. Metallographic structure. 256 X.

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En las figuras 49 y 50 mostramos las fisuras en una micrografía sin ataque químico.

Figura 49. Progreso de fisuras térmicas desde la superficie. 64X.  Figure 49. Propagation of thermal fissures from the  surface. 64X.

Figura 50. Fisura en el interior de la muestra a unos 10 mm de la superficie. 64X.  Figura 50. Crack inside the sample, 10 mm far from the  surface. 64X.

4.2-.CONCLUSIONES. El inicio de la falla no se encuentra en la superficie del rodillo, sino ju sto en la interfase de los dos materiales y en una zona con falta de adherencia entre ambas capas. La acción de una sobrepresión fue el desencadenante de la falla. La superficie de rotura no presenta marcas de fatiga o de proceses lentos en el desarrollo de la fractura. Las grietas de origen térmico detectadas en la superficie del rodillo son de poca profundidad (0.5 mm). Existen dos zonas bien diferenciadas a lo largo de la rotura, una de ellas se trata de material fracturado, y en la otra el aspecto no es de fractura sino de material despegado, esta parte es justo en la interfase de los dos materiales y  por lo tanto se trata de falta de adherencia entre los dos materiales en estas zonas..

EJEMPLO 5: Análisis de falla en rodillo de laminación del puente F8 posición superior Nº 88757. 5.1-.DESARROLLO. En las figuras siguientes mostramos en forma general el estado del rodillo luego de la falla, como podemos apreciar se trata de un desprendimiento parcial de la capa dura de la doble colada. En la tabla del rodillo se ven roturas que entendemos son producto de presiones excesivas. En la figura 52 mostramos un detalle de estos defectos, que como veremos mas adelante, coincide con la zona donde se produjo el inicio de la rotura. La zona de rotura presenta dos tipos de texturas bien diferenciadas. En la figura 53 vemos una franja que corresponde a material con falta de adherencia entre las dos capas y no a fractura como el resto de la superficie. Al final de la mencionada franja se ubica el inicio de la falla en la base de la capa dura. En las figuras 54 y 55 se aprecian el inicio de la falla ubicado sobre la franja con falta de adherencia entre los dos materiales colados. Además, como ya mencionamos, coincide con las fisuras vistas en la figura 52. A continuación mostramos en una zona próxima al origen visto en la figura anterior, una imagen que corrobora tanto la falta de adherencia entre capas, como las marcas que indican que la rotura progresó desde el interior hacia la superficie del rodillo.

Figura 51. Vista general del Figura 52. Roturas en la rodillo. tabla del rodillo.  Figure 51. General view of the  Figure 52. Ruptures along roll. the roll.

Figura 55. Detalle del origen de la rotura.  Figure 55. Detail of fracture origin.

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Figura 53. Zonas con diferentes texturas y el origen de la rotura.  Figure 53. Zones with different textures, and rupture origin.

Figura 54. Detalle de la figura 53.  Figure 54. Detail of the  figure 53.

Figura 56. Marcas que indican que la rotura fue desde adentro hacia la superficie.  Figure 56. Marks showing that the breakage was from the inside to the surface.

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5.2-.CONCLUSIONES. El rodillo rompe desde el interior hacia la superficie del mismo, el punto de inicio se ubica en la interfaz de las dos capas producto de la doble colada de fabricación. Este punto de inicio coincide con una franja que no presenta aspecto de rotura sino de falta de adherencia entre ambas capas. Esta falta de adherencia sumada a una sobrepresión, produjeron el comienzo de la falla.

EJEMPLO 6: Se realizaron estudios fractográficos a un rodillo de laminación roto en servicio identificado como F10 de trabajo.

6.1-.DESARROLLO. Se analizó en forma visual la rotura del rodillo F10 de trabajo. En la figura 57 vemos una vista general del rodillo en cuestión. Como podemos apreciar la rotura se produce en uno de los muñones y además sufrió un desconchamiento en la tabla. En las figuras siguientes haremos comentarios de cada una de estas zonas.

Figura 57. Vista general del rodillo roto  Figure 57. General view of the broken roll.

Figura 58. Fractura en zona de muñón.  Figura 58. Fracture in the roll neck.

Figura 59. Otra vista de la zona de muñón.  Figure 59. Another view of fracture in figure 58.

Figura 60. Detalle de la fractura del muñón.  Figure 60. Detail of the fracture in the roll neck.

La zona de muñón vista en las figuras 58, 59 y 60, muestra una rotura instantánea tipo frágil donde por la forma de la fractura, que no rompe en un solo plano, nos indica que los sobreesfuerzos actuantes fueron de flexotorsión. Es importante aclarar que no se observa ningún tipo de fisura o defecto preexistente. En cuanto a la rotura (desconchamiento) en la tabla del rodillo, tampoco presenta defectos preexistentes. A diferencia de roturas en rodillos anteriores, en este caso la falla se produce en la capa dura sin llegar a la interfaz de la doble colada y por lo tanto no existen defectos de colada o de falta de adherencia.

Figura 61. Vista de la rotura en la tabla Figura 62. Detalle de la rotura en la del rodillo. tabla.  Figura 61. View of the rupture along  Figure 62. Detail of rupture along the the roll. roll.

Figura 63. Deformaciones  producidas en la tabla por sobrepresiones. Figure 63. Deformations along the roll produced by over pressure.

Por último en la figura 63 mostramos las deformaciones en la tabla producto de sobre presiones.

6.2-.CONCLUSIONES. La rotura del muñón no presenta defectos o fisuras preexistentes, rompiendo en forma instantánea por la acción de un sobreesfuerzo de flexotorsión. En la tabla solo se ven marcas y deformaciones ocasionadas por la fuerte presión a la estuvo sometido el rodillo. Toda la rotura se produce en la capa dura sin llegar a la interfaz de la doble colada, y tampoco se observan defectos anteriores a la falla.

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