University of Oulu

The effects of microalloying on the scale formation of AISI 304 stainless steel in walking beam furnace conditions

Saved in:
Author: Laukka, Aleksi1,2
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Technology, Process Engineering
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 6 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526225043
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2020
Publish Date: 2020-01-14
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 24 January 2020, at 12 noon
Tutor: Professor Timo Fabritius
Docent Eetu-Pekka Heikkinen
Reviewer: Professor Shin-ya Kitamura
Associate Professor Silvia Barella
Opponent: Associate Professor Daniel Lindberg
Description:

Abstract

Austenitic stainless steel is steel alloyed with nickel and chromium. The alloying amounts of chromium and nickel, and possibly other elements, defines what type of an austenitic stainless steel it is. These types are categorised according to steel standards, such as EN and AISI. The standard defines the limits for the alloyed elements in the steel. Microalloying is used to alter the alloying amounts within the limits.

The unit processing path for manufacturing steel products mostly follows the same path: after the molten steel is cast into slabs, the slabs are reheated in a furnace prior to hot rolling. Introducing a metal phase to high temperatures and an oxidising atmosphere results in oxidation and the formation of an oxide scale layer. This scale layer has a distinct formation rate and an amount and morphology based on the hold time, the conditions in the furnace and the composition of the steel. Dependent on the factors, the scale layer can be protective, easy to remove, grow at a steady rate, grow evenly, be of a simple consistency or their opposite.

By introducing microalloying amounts of 35 and 55 ppm B and 400 ppm Ti in comparison to a baseline AISI 304 austenitic stainless steel, the formed oxide scale layer amount, rate and morphology in the walking beam slab reheat furnace conditions are investigated in this thesis. The atmospheres involved are O2 containing and H2O containing atmospheres, with holding times varying between 3600 and 10800 seconds and temperatures ranging from 800 to 1300 °C. Comparison is also made to B and Mo microalloyed AISI 301.

In some temperatures in the O2 containing atmosphere, boron microalloying has a decreasing effect on the scale formation amount and in other cases an increasing effect. This is attributed to Si oxide formation at the metal-oxide interface. In the H2O containing atmosphere, the same decreasing effect of B microalloying is observed at higher temperatures and linked to both the Si oxide formation and Ni oxide behaviour in oxide pockets. Ti microalloying is shown to overall decrease slightly the oxide scale formation in almost all studied cases. Microalloying amounts of 35 and 55 ppm B also produced a more even metal-oxide interface during the tests.

see all

Tiivistelmä

Austeniittinen ruostumaton teräs on terästä, joka on seostettu nikkelillä ja kromilla. Nikkelin, kromin ja muiden alkuaineiden seosmäärät määrittelevät minkä tyyppinen teräs on kyseessä. Eri terästyypit on kategorioitu standardien, kuten AISI ja EN mukaan. Standardi määrittelee eri seosaineiden pitoisuusrajat kullekin terästyypille. Alkuaineiden pitoisuuksien muuttamista rajojen sisällä kutsutaan mikroseostamiseksi.

Terästuotantoon liittyvä yksikköprosessiketju on kutakuinkin sama kaikille teräksille: sulasta teräksestä valetut aihiot kuumennetaan ennen kuumavalssausta. Kun metallifaasi asetetaan korkeaan lämpötilaan ja hapettavaan atmosfääriin, tapahtuu hapettumista ja metallin pintaan syntyy oksidi-, eli hilsekerros. Tällä hilsekerroksella on olosuhteista riippuva ominainen muodostumisnopeus ja -määrä, sekä morfologia. Nämä kaikki ovat riippuvaisia pitoajasta uunissa, uunin olosuhteista ja teräksen koostumuksesta. Muodostunut hilsekerros voi olla suojaava, helposti irrotettava, kasvaa tasaista nopeutta, kasvaa tasaisesti, olla yksinkertainen rakenteeltaan, tai olla edellä mainittujen vastakohtia.

Tässä väitöskirjassa tutkitaan 35 ppm ja 55 ppm B, sekä 400 ppm Ti mikroseostamisen vaikutuksia lähtökohtaiseen AISI 304 ruostumattomaan teräkseen. Tutkimus kohdistuu aihioiden kuumennusuunia vastaavissa olosuhteissa muodostuvan hilsekerroksen määrään, nopeuteen ja morfologiaan. Atmosfääreinä ovat O2 ja H2O sisältävät atmosfäärit, pitoajat vaihtelevat 3600 ja 10800 sekunnin välillä ja lämpötila välillä 800 °C ja 1300 °C. Muodostunutta hilsekerrosta verrataan B ja Mo seostettuun AISI 301 hilsekerrokseen.

Tietyissä lämpötiloissa O2 sisältävässä atmosfäärissä boorin mikroseostamisella on hilseenmuodostusta vähentävä ja toisissa sitä lisäävä vaikutus. Tämä on sidoksissa Si oksidin muodostumiseen metalli–oksidi rajapinnalla. H2O sisältävässä atmosfäärissä sama boorin aiheuttama hilseenmuodostumista vähentävä vaikutus on havaittavissa korkeammissa lämpötiloissa kuin happea sisältävässä atmosfäärissä ja se on sidoksissa sekä Si oksidin muodostumiseen, että Ni oksidin käyttäytymiseen oksiditaskuissa. Ti mikroseostamisella havaitaan olevan lievä hilseenmuodostumismäärää alentava vaikutus kauttaaltaan lähes kaikissa olosuhteissa. Mikroseostettaessa 35 ja 55 ppm B havaitaan metalli–oksidi rajapinnan tasaisuutta edistävä vaikutus.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. C, Technica
ISSN: 0355-3213
ISSN-E: 1796-2226
ISSN-L: 0355-3213
ISBN: 978-952-62-2504-3
ISBN Print: 978-952-62-2503-6
Issue: 735
Type of Publication: G5 Doctoral dissertation (articles)
Field of Science: 215 Chemical engineering
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2020. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.