Processamento de metais e ligas via fusão em forno a arco Dr. Hugo Ricardo Zschommler Sandim...
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Processamento de metais e ligas Processamento de metais e ligas via fusão em forno a arcovia fusão em forno a arco
Dr. Hugo Ricardo Zschommler Sandim
Universidade de São Paulo - USP
Escola de Engenharia de Lorena - EEL
Departamento de Engenharia de Materiais - DEMAR
EEL- USPEEL- USP
• Conteúdo
• Introdução
• Princípio de operação
• Vantagens e desvantagens
• Exemplos
• Laboratório Multiusuários de Fusão a Arco
EEL- USPEEL- USP
• Introdução
• Processo pioneiro na metalurgia de aços especiais
• Adequado à refusão de metais e ligas
• Tipos: eletrodo consumível e eletrodo não-consumível (W-1%ThO2)
• Possibilidade de processar metais e ligas em vácuo ou em atmosfera inerte (Ar)
EEL- USPEEL- USP
• Introdução
• Aplicações típicas: refusão de metais e ligas fundidos ao ar ou via VIM.
• Materiais tipicamente processados por VAR: aços, superligas e ligas de titânio e zircônio.
• Promove o refinamento da microestrutura, baixa a fração e o tamanho médio das inclusões e
minimiza a ocorrência de micro e macrosegregação.
• Promove um aumento significativo na tenacidade e na resistência à fadiga destes materiais
• Processamento de aços limpos e ultra-limpos (baixa fração volumétrica de inclusões)
• Assegura o refino de impurezas voláteis e intersticiais (hidrogênio, por exemplo)
EEL- USPEEL- USP
EEL- USPEEL- USPConsarc, USA
Schematics of the VAR furnace
1. Electrode feed drive
2. Furnace chamber
3. Melting power supply
4. Busbar/cables
5. Electrode ram
6. Water jacket with crucible
7. Vacuum port
8. X-Y adjustment
9. Load cell system
EEL- USPEEL- USPALD Vacuum Technologies GmbH, Germany
• Princípio de operação
EEL- USPEEL- USP
• Princípio de operação
Gartling and Sackinger, Intl. J. Numerical Methods in Fluids, 24 (1997) 1271–1289.
EEL- USPEEL- USP
Modos de controle:
• Velocidade de fusão (melt rate)
• Tensão do arco
• Princípio de operação
EEL- USPEEL- USP
Modos de controle:
• Velocidade de fusão (melt rate) – depende de experiência acumulada
num dado material/eletrodo
• Tensão - depende fortemente da estabilidade do arco
• Princípio de operação
EEL- USPEEL- USP
Ciclo típico de fusão a arco (VAR)
K. M. Kelkar et al., Intl. Conf. On Titanium, 2007.
EEL- USPEEL- USP
Tipos de eletrodos:
• Maciços (lingotes)
• Sucata (aparas metálicas e/ou cavacos prensados)
• Pós prensados (briquetes)
• Princípio de operação
EEL- USPEEL- USP
Tipos de eletrodos:
• Maciços (lingotes)
• Sucata (aparas metálicas e/ou cavacos prensados)
• Pós prensados (briquetes)
Risco de instabilidade do arco!
• Princípio de operação
EEL- USPEEL- USP
Tipos de eletrodos:
• Sucata (aparas metálicas e/ou cavacos prensados)
• Pós prensados (briquetes)
Risco de instabilidade do arco!
d varia durante a queda do fragmento
Problema real na fusão de ligas
reativas e refratárias!!!
• Princípio de operação
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• Possibilidade de refino de elementos voláteis e gasosos
• Limitado à pressão de trabalho na câmara de fusão (baixo vácuo)
• Efetivo para remoção de hidrogênio em aços
• Inibe a absorção de intersticiais durante a fusão, crítico no caso de ligas
reativas ou contendo elementos reativos (Nb, Ti e Zr, por exemplo).
• Vantagens e desvantagens
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Pressão de vapor
Tem
pe
ratu
ra (
K)
EEL- USPEEL- USP
Pressão de vapor
Tem
pe
ratu
ra (
K)
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Qualidade metalúrgica do produto:
• Depende fortemente de diversas variáveis:
Velocidade de fusão, estabilidade do arco (tensão e corrente), qualidade do eletrodo,
homogeneidade e uniformidade estrutural do eletrodo, pressão na câmara...
• Vantagens e desvantagens
Quando variações apreciáveis ocorrem....
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Defeitos metalúrgicos associados:
• White spots (áreas pobres em solutos. Ex.:
Nb e Ti menores que o nominal em IN 718)
Causas:
• Variação da tensão do arco e, portanto,
das condições de fusão;
• Colapso localizado do eletrodo;
• Queda da coroa (splatter)
• Freckles (anéis segregados com elevada
fração de carbonetos – macrosegregação)
Causas:
• Piscina muito profunda
• Distúrbios de origem magnética
• Vantagens e desvantagens
A. Mitchell, Mater.Sci. Eng. A243 (1998) 257–262.
EEL- USPEEL- USP
Defeitos metalúrgicos associados:
• Tree-ring patterns (menos nocivos às
propriedades, exceto se associados a carbonetos,
vindo a formar freckles).
• Vantagens e desvantagens
X. Xu et al. Metall. Trans. 33A (2002) 1795-1804.
EEL- USPEEL- USP
Efetivo na remoção de inclusões:
• Dissociação térmica de óxidos e nitretos mais instáveis
• Flotação (ex.: alumina, TiN e TiCN)
• Vantagens e desvantagens
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AIM
Maraging C300, 1%Ti
AIM + VAR
Redução da fração de inclusões
S.R. Elmi Hoseini et al., Vacuum 82 (2008) 521–528
• Exemplos
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Maraging C300
Redução do teor de intersticiais
S.R. Elmi Hoseini et al., Vacuum 82 (2008) 521–528
1%Ti 1,5%Ti
2%Ti
• Exemplos
EEL- USPEEL- USPK. M. Kelkar et al., Intl. Conf. On Titanium, 2007.
Variação composicional e trajetória das inclusões na fase líquida
• Exemplos
EEL- USPEEL- USP
Observação importante:
VAR não realiza milagres!
A qualidade da matéria-prima é essencial.
Muitas vezes, outras operações de fusão e refino são necessárias
(Ex.: EBCHMR)
• Exemplos
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Inclusões em ligas de titânio (Ti-6Al-4V)
A. Mitchell, Materials Science and Engineering A 243 (1998) 257–262.
LDI HDI
• Exemplos
EEL- USPEEL- USP
EEL- USPEEL- USP
• Laboratório Multiusuários de Fusão a Arco
• Proposta:
Atuar como laboratório aberto para experimentos envolvendo fusão a arco na
modalidade multiusuários. Um comitê gestor próprio (multi-institucional) existe
para analisar a viabilidade e a adequação das propostas. Promover a interação
indústria-academia.
• Órgão financiador e instituições participantes:
FINEP
UFRJ + INB + IME, EEL-USP (consultoria)
• Capital (equipamento + utilidades):
R$ 1.387.769,50 ( EUR 540.000,00) + R$ 550.000,00 (civil + utilidades)
• Local e previsão do início das operações (start-up):
COPPE-UFRJ, Outubro/2008
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• Laboratório Multiusuários de Fusão a Arco
• Testes iniciais: produção de ligas de zircônio para a área nuclear (INB)
• Ajuste da composição: fusão de esponja de Zr + elementos de liga voláteis
• Possibilidade de reciclar grande volume de cavacos de usinagem existentes
• Outros materiais para testes futuros: superligas à base de Ni e aços especiais
(parcerias industriais)
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• Laboratório Multiusuários de Fusão a Arco
Composição típica das ligas de zircônio para uso em reatores nucleares
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• Parâmetros típicos dos testes de comissionamento
• Local e período: ALD, Hanau (Alemanha), 12-20/04/2008
• Material: Aço CK- 45 (0,45%C; 0,7%Mn; Cr+Ni+Mo 0,70%)
• Dimensões do eletrodo consumível: = 150 mm, L = 1000 mm (140 kg)
• Dimensões do cadinho de cobre = 200 mm, L = 850 mm
• Pressão: 5,0.10-3
mbar (bombas roots)
• Tensão do arco na fusão: 24 V (DC)
• Corrente de fusão: 4,0 kA
• Hot top: 2,5 kA / 23 V / 5 min + 1,5kA / 23 V / 15 min
• Velocidade de fusão: 2,0-2,5 kg/min
EEL- USPEEL- USP
• Parâmetros típicos dos testes de comissionamento
10:14:04 10:44:04 11:14:34
0
20
40
60
80T
ensã
o -
DC
(V
)
Tempo (h:min:s)
Tensão-DC
EEL- USPEEL- USP
• Parâmetros típicos dos testes de comissionamento
10:44:0420
21
22
23
24
25T
ensã
o -
DC
(V
)
Tempo (h:min:s)
Tensão - DC
EEL- USPEEL- USP
• Parâmetros típicos dos testes de comissionamento
10:09:04 10:34:04 10:59:04 --
0
1
2
3
4C
orre
nte
(kA
)
Tempo (h:min:s)
Corrente
EEL- USPEEL- USP
• Parâmetros típicos dos testes de comissionamento
10:09:04 10:34:04 10:59:04
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5M
elt r
ate
(kg/
h)
Tempo (h:min:s)
Melt Rate (act.)
EEL- USPEEL- USPVista geral do forno VAR L 200
EEL- USPEEL- USPDetalhe do sistema de proteção em caso de inundação da câmara de fusão
EEL- USPEEL- USPVista geral do cadinho de cobre (200 mm)
EEL- USPEEL- USPImportância do gap uniforme (Delec/Dcrucible 0,75)
EEL- USPEEL- USPDetalhe do display indicando o progresso da fusão
EEL- USPEEL- USPVista geral da piscina e do arco durante a fusão
EEL- USPEEL- USPDetalhe da bottom plate e da superfície do lingote
EEL- USPEEL- USPDetalhe do topo de um dos cinco lingotes de aço fundido nos testes
EEL- USPEEL- USPAço CK- 45, após VAR
EEL- USPEEL- USPVista geral do futuro Laboratório Multiusuário de Fusão a Arco
Agradecimentos:
EEL- USPEEL- USP