estudo de viabilidade da refusão a arco sob vácuo de tubos de liga
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Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia de Materiais da Escola Politécnica,
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte
dos requisitos necessários à obtenção do título de
Engenheiro.
Orientadores: Luiz Henrique de Almeida
Leonardo Sales Araujo
Raphael Lopes Leibel
ESTUDO DE VIABILIDADE DA REFUSÃO A ARCO SOB VÁCUO DE TUBOS DE LIGA DE ZIRCÔNIO
Rio de Janeiro
FEVEREIRO de 2014
ii
iii
Leibel, Raphael Lopes
Estudo de viabilidade da refusão a arco sob vácuo de tubos de
liga de Zircônio/ Raphael Lopes Leibel. – Rio de Janeiro: UFRJ/
Escola Politécnica, 2014.
VII, 57, p.: i1. ; 29,7 cm.
Orientadores: Luiz Henrique de Almeida
Leonardo Sales Araujo
Projeto de Graduação – UFRJ/ Escola Politécnica/ Curso de
Engenharia de Materiais, 2014.
Referências Bibliográficas: p 55-57.
1. Refusão. 2. Zircônio. 3. VAR. I. ALMEIDA, Luiz Henrique de
et al. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola
Politécnica, Curso de Engenharia de Materiais. III. Estudo de
viabilidade da refusão a arco sob vácuo de tubos de liga de
Zircônio
iv
AGRADECIMENTOS
À PIBIC, pelo incentivo financeiro durante o período de iniciação científica.
À INB, em especial ao Antonio Melki, por ceder o material utilizado nos ensaios
que viabilizaram a realização desse trabalho.
À Finep, pelo apoio. Projeto 01050924/00 (Desenvolvimento de Ligas Especiais
– Laboratório Multiusuário de Fusão a Arco).
Ao Laboratório de Propriedades Mecânicas, especialmente aos meus colegas
Matheus, Rafaela, Monique e Sônia.
Ao meu amigo e coorientador Leonardo Sales, pela orientação, ensinamentos e
oportunidades ao longo desses anos, sem a qual este trabalho não teria sido
realizado.
Ao professor Luiz Henrique de Almeida, pelas oportunidades oferecidas e pelo
conhecimento transmitido ao longo do curso.
v
Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/ UFRJ como parte
dos requisitos necessários para obtenção do grau de Engenheira de Materiais.
Estudo de viabilidade da refusão a arco sob vácuo de tubos de liga de Zircônio Raphael Lopes Leibel
Fevereiro / 2014
Orientadores: Luiz Henrique de Almeida
Leonardo Sales Araujo
Curso: Engenharia de Materiais
Tubos feitos de liga de zircônio (Zircaloy) são amplamente utilizados em usinas
nucleares, principalmente por suas propriedades de baixa absorção de nêutrons
térmicos, elevada dureza, ductilidade e resistência à corrosão. Este trabalho apresenta
um estudo sobre o processo de refusão a arco sob vácuo de tubos de ligas de
zircônio, visando à reciclagem primária desse material (sobra de cortes), que por
ventura é fabricado em tamanhos excedentes ao tamanho ideal de utilização,
resultando em grande volume de descarte. A metalurgia a arco elétrico sob vácuo
destaca-se principalmente na produção e refino de metais reativos e refratários (Zr, Ti,
U) e de ligas especiais (aços especiais e superligas) devido ao ambiente protegido e
pela intensa geração de calor, assim como pela possibilidade de obtenção de um
produto final homogêneo. Foram realizados experimentos variando parâmetros do
forno VAR (Vacuum Arc Remelting) e os lingotes foram analisados posteriormente,
permitindo compreender a influência dos parâmetros de operação do equipamento e
do tipo de manufatura do eletrodo na qualidade do processo.
Palavras-chave: refusão, vácuo, zircônio, nuclear, VAR.
vi
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI UFRJ as a partial fulfillment of
the requirements for degree of Engineer.
Study on feasibility of refusion by electric arc under vacuum of Zirconium alloy tubes Raphael Lopes Leibel
February / 2014
Advisors: Luiz Henrique de Almeida
Leonardo Sales Araujo
Course: Materials engineering
Tubes made of zirconium alloy (Zircaloy) are broadly used in nuclear plants
mainly due to its properties of low thermal neutrons absorption, high hardness and
corrosion resistance. This work presents a study on the process of vacuum arc
remelting of zirconium alloy tubes, targeting the possibility of primary recycling of this
material (waste from the cutting process), that is occasionally fabricated exceeding the
ideal usage length, resulting on great waste volume. The vacuum arc metallurgy stands
out principally on the production and refine of refractory and reactive metals (Zr, Ti, U)
and special alloys (special steels and superalloys) due to the protected environment
and intense heat generation, as well as the possibility of achieving a homogeneous
final product. Experiments were performed varying the VAR (Vacuum Arc Remelting)
furnace’s parameters and the ingots were analyzed after, allowing understanding the
influence of equipment operation parameters and electrode manufacturing kind in the
process’s quality.
Keywords: refusion, vacuum, zirconium, nuclear, VAR.
vii
Sumário
1. Introdução .............................................................................................................................. 1
2. Revisão bibliográfica .............................................................................................................. 3
2.1. A Indústria Nuclear ........................................................................................................ 3
2.1.1. Fissão Nuclear ....................................................................................................... 4
2.1.2. Reatores Nucleares ............................................................................................... 5
2.2. O Zircônio ...................................................................................................................... 9
2.2.1. Fonte de Zircônio ................................................................................................. 11
2.2.2. Separação Zr-Hf .................................................................................................. 11
2.2.3. Processo Kroll ..................................................................................................... 12
2.2.4. Ligas de Zircônio ................................................................................................. 13
2.3. Fabricação de Tubos de Zircônio ................................................................................ 18
2.4. Reciclagem de Tubos de Zircônio ............................................................................... 21
2.5. Refusão a arco elétrico sob vácuo .............................................................................. 23
3. Procedimento experimental ................................................................................................. 27
3.1. Materiais e equipamentos utilizados ........................................................................... 27
3.2. Manufatura dos eletrodos ............................................................................................ 33
3.2.1. Laminação ........................................................................................................... 33
3.2.2. Soldagem e união ................................................................................................ 34
3.2.3. Soldagem no forno VAR ...................................................................................... 39
3.3. Ensaios de refusão ...................................................................................................... 41
3.3.1. Cálculo do curso do eletrodo ............................................................................... 42
3.3.2. Cálculo do curso pela massa .............................................................................. 44
3.4. Preparo ........................................................................................................................ 46
3.5. Operação ..................................................................................................................... 47
4. Resultados e discussão ....................................................................................................... 47
4.1. Análise das refusões ................................................................................................... 47
4.2. Análise macrográfica ................................................................................................... 51
5. Conclusões .......................................................................................................................... 54
6. Referências bibliográficas .................................................................................................... 55
1
1. Introdução
A indústria nuclear está presente em 31 países, e possui grande importância na
matriz energética de países como a França, sendo o país com a maior dependência
desse tipo de fonte de energia elétrica, com 77,7% de contribuição e geração de 423
bilhões de kWh, perdendo em valores absolutos apenas para os Estados Unidos, que
gerou 790 bilhões de kWh (1).
Historicamente, em reatores comerciais, utilizavam-se as ligas Zircaloy-2,
Zircaloy-4 e Zr-1Nb em componentes para montagem de combustíveis, enquanto os
materiais Zr-2.5Nb eram utilizados em tubos pressurizados. Durante a década de 80 e
90, o aumento da corrosão observada nas usinas alemães e suíças do tipo PWR
(Pressured Water Reactor) levou à busca por materiais mais resistentes à corrosão.
Essa situação foi a força motriz para o desenvolvimento de ligas Zr-Nb e Zircaloy, com
baixo teor de Sn e resistentes à corrosão em PWR, que estão hoje disponíveis no
mercado (2).
No presente trabalho, objetiva-se estudar a viabilidade da refusão das sobras
de varetas (tubos de pequeno diâmetro e paredes finas) de Zircaloy. Esse excesso no
tamanho dos tubos ocorre, pois o tamanho produzido pelo fabricante nem sempre é
feito sob medida para determinado reator, como já ocorreu no Brasil. Vale ressaltar
que este processo vale somente para retalhes de varetas que ainda não foram
utilizadas e, portanto, não estão contaminadas com radiação.
Esse processo se enquadra no padrão de reciclagem primária, onde as sobras
de manufatura do produto compõem o material a ser reaproveitado. Uma das
definições que melhor explicitam a condição de reciclagem primária diz que, ela é a
reciclagem de materiais limpos, sem contaminação, de um único tipo, antes de sua
utilização (3). A reciclagem desse tipo de material pode ser interessante não só para a
2
possível fabricação de novas varetas, sendo politicamente estratégico para a
soberania de quem a utiliza, podendo também ser bastante útil no aspecto de
armazenagem, dado que um lingote maciço poder armazenar muito mais material do
que em forma de tubos. Acima de tudo, pode ser interessante no aspecto econômico.
A utilização da refusão a arco sob vácuo possibilita que o lingote resultante do
processo seja homogêneo, funda e solidifique sob atmosfera protetora, sem ocorrer
contaminação do material de interesse (4). A utilização desse processo no presente
trabalho também se deve à disponibilidade do equipamento para ensaios, nas
dependências do departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais, da
Universidade Federal do Rio de Janeiro.
O primeiro desafio aqui apresentado foi a transformação das sobras de tubos
em eletrodos consumíveis pelo forno VAR (Vacuum Arc Remelting). Os eletrodos são
de suma importância no processo, pois uma mera falha geométrica pode significar a
parada do equipamento durante o processo de refusão devido ao surgimento de arcos
elétricos formados entre a lateral do eletrodo com a lateral do cadinho de cobre
refrigerado. Durante todo o processo, o arco deve se estabelecer estável, e localizado
entre a ponta inferior do eletrodo e a base, ou fundo, do cadinho.
O segundo passo foi realizar ensaios (refusões) alterando alguns parâmetros
do equipamento como, diferença de potencial entre o eletrodo e o cadinho, corrente
elétrica, agitação magnética e velocidade de refusão. Este último parâmetro controlado
pelo equipamento, que automaticamente ajusta a corrente elétrica, com a distância
entre eletrodo-cadinho e a massa consumida do eletrodo.
Ao final são apresentados os resultados obtidos mostrando a viabilidade dessa
proposta de reciclagem, bem como algumas análises do lingote, correlacionando os
parâmetros utilizados com os problemas observados.
3
2. Revisão bibliográfica
2.1. A Indústria Nuclear
Uma das maiores descobertas do século XX, as reações nucleares, liberando
energia, radiação e radioisótopos, trouxe uma gama de possibilidades e benefícios
para a humanidade, além de ser uma das mais conhecidas formas de destruição em
grande escala (5). Tais reações permitiram o advento de uma nova área industrial,
com enorme potencial, permitindo geração de eletricidade e economicamente viável.
O Brasil, além de possuir a tecnologia de enriquecimento de urânio, tem uma das
maiores reservas de urânio do mundo, que é a fonte de energia utilizada nas usinas
nucleares (6). No entanto, se faz necessário um investimento no desenvolvimento de
técnicas e materiais que permitam uma operação segura, de alto rendimento e de
modo economicamente viável. Concomitantemente, é necessário trabalhar a aceitação
pública e a minimização de impactos ambientais.
A tecnologia nuclear é a terceira fonte de energia mais utilizada mundialmente. Os
aspectos ambientais da indústria nuclear se comparam favoravelmente às alternativas
existentes para a produção de energia elétrica em grandes quantidades (7).
Atualmente, 442 usinas nucleares operam em 31 países, sendo que 17 destes
países dependem da energia nuclear para suprir, no mínimo, 25% de suas
necessidades. Vale registrar que na matriz energética da França 78% da energia é
nuclear. A Alemanha utiliza 30% e os EUA em torno de 20% (8).
No Brasil, existem duas usinas nucleares em operação: Angra I, primeira usina
nuclear brasileira e em operação desde 1985, possui capacidade instalada de 657
MW. Angra II entrou em operação em 2001 e possui capacidade de 1350 MW.
Atualmente, as usinas nucleares de Angra I e Angra II, respondem ao equivalente de
4
50% do abastecimento do estado do Rio de Janeiro, proporção que aumentará com a
construção da terceira usina da Central, denominada Angra III.
2.1.1. Fissão Nuclear
É o processo onde o núcleo de um átomo com elevado número de massa, por
exemplo, do urânio-235, se divide em dois outros núcleos menores, de massas
próximas. Para que isso ocorra, é necessário bombardear o núcleo do átomo com
nêutrons.
Na fissão nuclear, além dos núcleos menores, também são produzidos dois a
três nêutrons que, por sua vez, podem atingir outros núcleos, que liberarão mais
nêutrons, resultando assim, numa reação em cadeia, como mostrado na Figura 1 (9).
Figura 1: (A) Fissão nuclear e (B) reação em cadeia, a partir dos nêutrons gerados na fissão inicial [adaptado de (9)].
5
2.1.2. Reatores Nucleares
Os reatores nucleares são os equipamentos responsáveis pela conversão da
energia nuclear em energia térmica, que por sua vez é transformada em energia
elétrica. Tais reatores podem ser classificados de acordo com sua finalidade, modo de
operação ou ainda de acordo com os materiais utilizados (10):
GCR – (Gas Cooled Reactor) – Reator Refrigerado a Gás
AGR – (Advanced gas-Cooled Reactor) – Reator Avançado Refrigerado a Gás
PHWR – (Pressurized Heavy Water Reactor) – Reator Refrigerado a Água Pesada
Pressurizada, mais conhecida pela denominação CANDU (Canadian Deuterium
Uranium)
LWGR – (Light Water-Cooled Graphite-Moderated Reactor) – Reator Refrigerado a
Água e Moderado a Grafite, também conhecido pela denominação RBMK – uma sigla
em russo para Reator Refrigerado a Água Fervente e Moderado a Grafite.
LWR – (Light Water Reactor) – Reator Refrigerado ou Moderado a Água Leve. Estes
reatores se destacam por serem os mais utilizados no mundo. Compreendem dois
grupos:
1. PWR – (Pressurized Water Reactor) – Reatores a Água Pressurizada
2. BWR – (Boiling Water Reactor) – Reatores a Água Fervente
Atualmente no Brasil, existem dois reatores nucleares à água pressurizada (PWR -
Pressurized Water Reactor), Angra I e Angra II. Neles, o urânio enriquecido (com
3,2% de urânio-235) é colocado, em forma de pastilhas de 1 cm de diâmetro,
dentro de tubos de 4 m de comprimento, feitos de ligas de zircônio (11), como
mostrado na Figura 2. Estes reatores à água pressurizada são reatores que utilizam a
água leve (H2O), diferente de água pesada que é constituída de óxido de deutério (o
6
deutério é um átomo similar ao de H e que contém 1 nêutron e 1 próton no núcleo,
enquanto que o H só possui 1 próton em seu núcleo) para a remoção do calor gerado
e para a desaceleração (moderação) dos nêutrons liberados no processo da fissão
nuclear. A água é desmineralizada e tratada quimicamente para torná-la um meio
refrigerante apropriado para o reator (12).
Figura 2: Tubos de liga de zircônio empregados para encamisar as pastilhas de urânio enriquecido [adaptado de (11)].
Apesar de elevada temperatura operacional (cerca de 320°C) a água se mantém
em estado líquido, devido à alta pressão do sistema (cerca de 160 atm), aproveitando
o intenso poder de refrigeração da água pressurizada. A água que é aquecida ao
passar pelo vaso de pressão é bombeada através de tubos até o gerador de calor,
onde troca calor com a água do circuito secundário, sem que haja mistura entre elas, o
que é importante sob o ponto de vista de segurança quanto ao vazamento de material
radioativo (13). Após trocar calor, a água do circuito primário retorna ao vaso de
pressão para ser aquecida novamente. O vapor é produzido no circuito secundário,
sendo utilizado para acionar a turbina geradora de eletricidade. Depois de passar pela
turbina, o vapor é condensado e a água bombeada novamente para o gerador de
vapor (12). A Figura 3 mostra um diagrama esquemático de uma central nuclear com
reator à água pressurizada (11).
7
Figura 3:Diagrama esquemático de uma central nuclear com reator à água pressurizada (11)
O núcleo do reator, localizado dentro do vaso de pressão do reator, é a fonte de
calor da central nuclear. Encontram-se nele os elementos combustíveis que são
compostos por um determinado número de varetas combustíveis dispostos em forma
de reticulado quadrado que contêm o combustível nuclear. Existe um fluxo de água
refrigerante que passa de baixo para cima pelos elementos combustíveis.
O elemento combustível é o conjunto de aproximadamente 235 (como no caso de
Angra I) varetas de liga de zircônio especial (Zircaloy), 21 tubos guias, e dois bocais
(inferior e superior). A estrutura é mantida rigidamente posicionada através das grades
espaçadoras.
No Brasil, a montagem do elemento combustível é realizada na Fábrica de
Combustível Nuclear (FCN), INB em Resende, Rio de Janeiro. A montagem exige
8
rigoroso controle e total confiabilidade. Cada vareta de Zircaloy possui
aproximadamente 10 milímetros de diâmetro e o comprimento varia de acordo com a
usina. Na tabela 1, informações sobre os elementos combustíveis em Angra I e Angra
II.
Tabela 1 - Comparação dos elementos combustíveis de Angra I e Angra II (7)
Elemento combustível Angra I Angra II
Quantidade 121 193
Varetas 28.435 45.548
Pastilhas 10,5 milhões 17,5 milhões
Comprimento 4,00 m 5,00 m
Peso - Urânio 411 Kg 543 Kg
Peso total 600 Kg 840 Kg
Os tubos guias são usados para controlar a reação de fissão em cadeia. Dentro
deles são inseridas as barras de controle, feitas de materiais absorvedores de
nêutrons, tipicamente o Cádmio (14). Na Figura 4, alguns componentes e o elemento
combustível
(a) (b)
Figura 4: (a)Grades espaçadoras e tubos guias e (b) Elemento Combustível (7)
9
Os elementos combustíveis são colocados dentro de um vaso de pressão de aço,
com paredes de espessura entre 20 e 35 cm. O vaso de pressão do reator e o gerador
de vapor são, por sua vez, instalados dentro de uma contenção de aço, protegida por
um envoltório de concreto (14).
2.2. O Zircônio
O zircônio pertence ao grupo IVA da tabela periódica, sendo seu peso atômico
91,22 u.m.a. (unidades de massa atômica) e seu número atômico 40. Seu símbolo
químico é Zr e seus estados de oxidação mais comuns são +2,+3 e +4. Apresenta
densidade de 6,51 g/cm3 e temperatura de fusão de 1852°C (15). Em temperatura
ambiente apresenta estrutura cristalina hexagonal compacta (Zr-α), mas sofre uma
transformação alotrópica para estrutura cúbica de corpo centrado (Zr-β) a 870º C. É
classificado como um metal reativo (que facilmente combina com o oxigênio em
elevadas temperaturas formando uma camada de óxido muito estável).
Um dos óxidos existentes é o ZrO2, conhecido como zircônia. A zircônia possui alto
ponto de fusão (2973 K), baixa condutividade térmica e uma alta resistência à
corrosão, sendo usada em refratários, pigmentos, dispositivos piezoelétricos,
redutores cerâmicos, sensores de oxigênio, material estrutural refratário em aplicações
nucleares, entre outras aplicações (16). Além disso, a zircônia combinada com outros
óxidos tem sido muito usada no ramo joalheiro em substituição ao diamante (17).
Cerca de 90% do consumo de zircônio metálico está relacionado à sua aplicação
na indústria nuclear. Devido à combinação de boas propriedades mecânicas, alta
resistência à corrosão em alta temperatura e, principalmente, pela elevada
transparência aos nêutrons, as ligas de Zircônio são usadas como varetas de
revestimento (“cladding”) das pastilhas de dióxido de urânio, as quais são os
combustíveis nas usinas nucleares.
10
Antigas referências descreviam o zircônio e outros elementos do mesmo subgrupo
como metais duros e frágeis. No entanto, estudos mostraram que o zircônio, se
suficientemente puro, é macio e dúctil. Sua elevada resistência à corrosão e baixa
capacidade de absorção de nêutron somente acontece quando este metal encontra-se
isento de háfnio (18).
Em 1789, Kaproth (18) descobriu a presença de um novo óxido metálico no
mineral zircão. Este composto recebeu o nome de zirconita. Entretanto, foi Berzelius
(18) que recebeu o crédito pela primeira produção de zircônio metálico, em 1824,
através da redução de K2ZrF6 com o metal potássio. O produto resultante se
apresentava impuro, na forma de um pó preto que não pôde ser comprimido ou polido
como um metal (18). Nos anos seguintes, inúmeras pesquisas utilizaram vários
métodos para a produção de zircônio, e todos obtiveram um material frágil devido à
contaminação, geralmente, pelo oxigênio, carbono, nitrogênio, ou hidrogênio.
Lely e Hamburger (18) em 1914 foram os primeiros a produzir um metal
suficientemente puro que apresentasse boa ductilidade. Eles reduziram o cloreto de
zircônio resublimado com sódio de alta pureza em um vaso de pressão. O mesmo
método foi utilizado mais tarde, em 1923, nos Estados Unidos, por Cooper, Hunter e
Jones (18).
Em 1925, van Arkel e de Boer e, em 1926, de Boer e Fast (18) publicaram o primeiro
de uma série de artigos, descrevendo a decomposição térmica de haletos metálicos
como um meio de produzir um metal puro. A investigação, sob a direção de W.J. Kroll
(18), desenvolveu rapidamente um método de sucesso baseado na redução do
tetracloreto de zircônio (ZrCl4) com o magnésio.
11
2.2.1. Fonte de Zircônio
Na natureza, o zircônio não é encontrado na forma metálica. O mineral de
maior importância comercial é a zirconita (ortossilicato de zircônio – ZrSiO4). O zircônio
geralmente está associado ao háfnio, sendo encontrados na zirconita, na proporção de
50 para 1. Sua separação é difícil e onerosa, mas imprescindível para aplicação
nuclear, já que o Zr tem baixa capacidade de absorver nêutrons, enquanto o háfnio é
forte absorvedor dessa radiação. Os depósitos de zircônio de maior destaque
encontram-se na Austrália e África do Sul, seguidos dos Estados Unidos, Ucrânia,
Índia, Brasil e China (17).
2.2.2. Separação Zr-Hf
Separar o háfnio do zircônio é uma tarefa difícil, dado que o háfnio apresenta
propriedades químicas similares as do zircônio. O mineral zircão possui de 0,5 a 2,0%
de óxido de háfnio e o zircônio para uso em reatores nucleares é limitado a um
máximo de 0,01% de Hf, já que o háfnio apresenta alta capacidade de absorção de
nêutrons.
Dada essa propriedade, o háfnio (separado do zircônio) também é empregado
em reatores nucleares (19), porém assume função de controle, interrompendo o
processo de reação em cadeia. O zircônio apresenta uma absorção em seção
transversal de 0,18 barns (1barn = 10-24 cm2/núcleos), enquanto a do háfnio absorve
115 barns, aproximadamente 640 vezes maior que o zircônio (18).
Os métodos utilizados para a separação do zircônio e do háfnio são destilação
fracionada ou separação líquido-líquido. Porém, o mais utilizado é o procedimento de
separação líquido-líquido (18).
12
Nesse processo, o cloreto de zircônio é colocado em contato com um vapor,
em contracorrente, de tiocianato rico em metil-isobutil-cetona. O solvente extrai o
háfnio, e o cloreto de zircônio é misturado com o ácido sulfúrico e hidróxido de amônia.
O sulfato de zircônio é precipitado e depois, agitado com o hidróxido de amônia para a
produção de hidróxido de zircônio, o qual é, subsequentemente, aquecido para a
produção de óxido de zircônio puro. Outros solventes e procedimentos de precipitação
são utilizados. Há um aumento de interesse no processo em que o tetracloreto de
zircônio é seletivamente reduzido para tricloreto; o tetracloreto de háfnio é depois
sublimado e a separação é alcançada (18).
2.2.3. Processo Kroll
O processo mais utilizado para a produção do zircônio metálico de alta pureza
foi descoberto em 1947 por Kroll e seus colaboradores no U.S. Bureau of mines. Ele
consiste na redução do tetracloreto de zircônio obtido pela cloração do minério por
magnésio. Essa reação de redução do zircônio é mostrada a seguir:
ZrCl4 (g) + 2 Mg (l) → Zr (s) + 2 MgCl2 (l)
Em seguida, o metal produzido é refinado através de uma destilação a vácuo,
eliminando os gases absorvidos durante o processo de obtenção (18). O processo é
esquematizado na Figura 5, a seguir.
13
Figura 5: Diagrama típico das operações para o Processo de Kroll (18).
2.2.4. Ligas de Zircônio
A maioria das ligas de zircônio apresenta forte anisotropia já que em temperatura
ambiente apresentam estrutura cristalina hexagonal compacta (hc) e em
aproximadamente 870°C sofrem transformação alotrópica para uma estrutura cúbica
de corpo centrado (ccc) (15).
14
O zircônio pode-se apresentar em duas estruturas cristalográficas, fase α ou fase
β. A fase α do zircônio, corresponde a uma estrutura hexagonal compacta (hc) e a
fase β corresponde a uma estrutura cúbica de corpo centrada. Essa transformação
alotrópica, de fase α para a fase β, se dá em 863 ± 5°C (15).
Em temperatura ambiente, o zircônio puro (hc) apresenta os seguintes parâmetros
de rede cristalina: a = b = 3,23(2) Å e c = 5,14(8) Å, resultando em uma razão de c/a =
1,593 (19; 20). Com o aumento da temperatura e/ou a presença de elementos de
ligas, a razão de c/a pode aumentar. O zircônio β (ccc), apresenta o parâmetro
cristalográfico a = 3,56(8) Å (19).
Elementos estabilizadores de fase α ou β, além de formação de compostos
intermetálicos de baixa solubilidade, são responsáveis por influenciar a fase estável do
zircônio. A temperatura de transformação alotrópica da fase α para a fase β é
aumentada na presença de elementos α-estabilizadores, tais como: Al, Sb, Sn, Be, Pb,
Hf, N, O e Cd. Como mostrado no diagrama de fase Zr-Sn na Figura 6 (20), existe uma
reação peritética na parte rica em zircônio. Isso ocorre para muitos sistemas de liga
binária formados por um desses elementos e o zircônio (15).
Figura 6: Diagrama de Fase Zr-Sn (20).
15
A temperatura de transformação alotrópica da fase α para a fase β pode ser
abaixada quando incluindo elementos β-estabilizadores, tais como: H, Fe, Cr, Ni, Mo,
Cu, Nb, Ta, V, Th, U, W, Mn, Co e Ag. Para o sistema de liga binária entre o zircônio e
esses elementos existe, muitas vezes, uma reação eutetóide e usualmente, uma
reação eutética também, na parte rica em zircônio (15). A Figura 7 mostra, como
exemplo, o diagrama de fases do Zr-Fe (20).
Figura 7: Diagrama de Fase Zr-Fe (20).
Para aplicação nuclear, ligas de zircônio possuem elementos em solução sólida e
impurezas bem controladas. A inclusão de elementos de ligas como, por exemplo: Cr,
Fe, Ni, Nb, Sn, até um máximo de 1% atômico, podem ocasionar a precipitação de
intermetálicos e alterar as características de cinética de corrosão sob condições de
água pressurizada (21). Devido à constante necessidade de melhoria das ligas com
relação às severas condições de temperatura e pressão, o aprimoramento e
desenvolvimento destas são realizados até os dias de hoje (20). A Figura 8 mostra o
diagrama Zr-Nb (23).
16
Figura 8: Diagrama de Fase Zr-Fe (23).
A busca por melhorias das propriedades mecânicas das ligas de zircônio deu-se
inicialmente com o advento do Zircaloy-1 (Zr-Sn), onde o estanho cumpria o dever de
neutralizar o efeito negativo do nitrogênio na corrosão. Logo, o Zircaloy-1 foi
substituído pelo Zircaloy-2 (Zr-Sn-O-Fe-Cr-Ni) que apresentava melhores propriedades
de resistência à corrosão. Contudo, no Zircaloy-2, descobriu-se que o níquel era
responsável por uma substancial absorção de hidrogênio, cujo fenômeno é indesejável
em reatores do tipo PWR (água pressurizada). Em seguida, o Zircaloy-2 foi substituído
pelo Zircaloy-4 (Zr-Sn-O-Fe-Cr), sendo utilizado na maioria dos reatores PWR,
inclusive no Brasil, porém o Zircaloy-2 ainda é utilizado em reatores BWR (água
fervente) (22).
O Zircaloy-2 e o Zircaloy-4 possuem uma matriz α-Zr com estrutura hexagonal
compacta, contendo estanho em solução sólida substitucional e oxigênio em solução
sólida intersticial. Elementos de liga como Fe, Cr e Ni formam precipitados
intermetálicos do tipo Zr(Fe,Cr)2 e Zr2(Fe,Ni) para o Zircaloy-2 e Zr(Fe,Cr)2 para o
17
Zircaloy-4, por serem praticamente insolúveis na matriz. Tais precipitados podem ser
encontrados nos contornos e no interior de grãos e, dependendo do tratamento
térmico e do processo de fabricação ao qual a liga é submetida, os grãos podem sofrer
variação de tamanho e de distribuição (22).
Não obstante, as ligas binárias Zr-1Nb também são constituídas de uma matriz Zr-
α, que contém em média 0,5% de Nb em solução sólida e precipitados Zr-β (contendo
85% de Nb) cujo diâmetro é de, aproximadamente, 50 nm. As ligas Zr-2,5Nb
amplamente utilizadas em reatores CANDU possuem uma matriz Zr-α com uma fase
Zr-β cúbica de corpo centrado (contendo 20% de Nb) nos contornos de grãos. De
acordo com os tratamentos térmicos subsequentes, podem também conter
precipitados Nb-β (22).
A tabela 2, a seguir, mostra as principais ligas de Zircaloy utilizadas em reatores
nucleares e suas composições (22).
Tabela 2 - Principais ligas de zircônio e suas composições (22).
Elemento
(% em massa) Zircaloy-2 Zircaloy-4 Zr-1Nb Zr-2,5Nb
Estanho 1,2-1,7 1,2-1,7 - -
Ferro 0,07-0,20 0,18-0,24 - -
Cromo 0,05-0,15 0,07-0,13 - -
Níquel 0,03-0,08 0,007 máx. - -
Nióbio - - 1±0,15 2,4-2,8
Oxigênio 0,08-0,15 0,08-0,15 - 0,09-0,13
Nitrogênio 0,008 máx. 0,008 máx. - 0,008 máx.
As ligas Zircaloy apresentadas anteriormente representam a geração passada.
Desde 2002, uma nova geração de Zircaloy está entrando em uso nos reatores do
mundo inteiro, após um período superior de cinco anos entre desenvolvimento e teste.
Este desenvolvimento se deve à necessidade de melhorias nas propriedades
18
mecânicas e resistência à corrosão dos tubos de Zircaloy (13; 23). A tabela 3 mostra
as principais ligas da nova geração de Zircaloy e suas composições.
Tabela 3 - Composição em peso de ligas da nova geração de Zircaloy (26; 27).
Elemento
(% em massa) M5 Zirlo E635 E110
Nb 1 1,02-1,04 0,95-1,05 0,95-1,05
Sn - 0,96-0,98 1,20-1,30 -
Fe 300 ppm 0,094-0,105 0,34-0,40 0,006-0,012
Cr - 79-83 ppm - -
O, ppm 1100 900-1200 500-700 500-700
C, ppm - 60-80 50-100 50-100
Si, ppm - < 40 50-100 50-100
Ni, ppm - 22-30 30-60 30-60
S, ppm ≤ 10 - - -
2.3. Fabricação de Tubos de Zircônio
O material inicial do processo de produção de tubos de zircônio para aplicação
nuclear é chamado de “tube hollow”, o qual é um tarugo cilíndrico perfurado em seu
interior, com formato de tubo de parede espessa. O processo de fabricação
compreende de três a quatro passos de redução geométrica em um trem de laminação
Pilger (conjuntos de laminadores que, atuando em série, obtêm progressivas reduções
de espessura) ou HPTR (high-precision tube roller) (24). A Figura 9 ilustra os
laminadores Pilger e HPTR.
19
Figura 9: À esquerda o laminador Pilger e à direita o laminador HPTR.
Os tubos de zircônio são fabricados de acordo com a Figura 10. Nela, podemos
observar o fluxograma do processo de fabricação. Após a redução final, os tubos são
limpos, decapados no interior, recozidos a vácuo para cumprir os requisitos de
propriedade mecânica exigidos, decapados ou lixados no exterior e jateados com areia
por dentro antes de serem testados e passar pelo controle de qualidade (24). Os
pontos críticos do processo são: a redução dos tubos, a decapagem interna, o
recozimento a vácuo e o endireitamento.
No processo de redução geométrica, os parâmetros mais importantes são o fator Q
e a configuração geométrica da ferramenta. O tipo dos rolos/matriz e dos mandris
influencia nas propriedades superficiais e nas tolerâncias dimensionais. O fator Q, i.e.
a razão entre a redução da espessura da parede e a redução do diâmetro externo
(último passo de redução), determina a textura do produto final. Valores comuns de Q
variam de 1,5 a 3,5 resultando, respectivamente, em uma textura de 60° e 20° a 30°
(24).
20
Figura 10: Fluxograma do processo de fabricação de tubos de zircônio (adaptado de (28)).
O ponto crítico no processo de decapagem se encontra na transferência do banho
de decapagem para o banho de enxague. Caso o tempo de transferência, i.e. o tempo
que a superfície decapada fica exposta ao ar, exceda alguns segundos, pode resultar
em formação de fluoretos de zircônio e perda drástica das propriedades de corrosão.
O parâmetro crítico no processo de recozimento é o vácuo, o qual deve ser maior
que 1,33x10-4 milibar. Caso o vácuo seja inferior a esse valor, a absorção de oxigênio
e nitrogênio durante o processo pode ocorrer levando o produto a perder propriedades
mecânicas e de resistência à corrosão.
21
As variáveis mais importantes no procedimento de endireitamento são a deflexão e
compressão. Encruamento local, deslocamento na orientação dos hidretos e perda
ductilidade podem ocorrer se a deflexão e compressão excederem os valores
determinados (24).
2.4. Reciclagem de Tubos de Zircônio
Dada a dificuldade no processamento e a restrição à obtenção das ligas de Zr e
seu elevado valor intrínseco, sua reciclagem é um importante aspecto a se considerar.
As sucatas de zircônio compreendem cerca de 30% a 35% de matéria prima para a
produção de lingotes. São utilizadas principalmente as sucatas primárias, provenientes
dos processos de usinagem, corte e de conformação. Sucatas secundárias também
são utilizadas, entretanto sua quantidade é de difícil avaliação, pois suas fontes,
desmontes de equipamentos, não são constantes.
Como a fusão de sucatas exige uma preparação cuidadosa do material, cada
companhia tem processos próprios, como por exemplo, Wah Chang (atualmente
subsidiária da Allegheny Technologies Inc.), e a Western Zirconium (subsidiária da
Westinghouse Eletric Company) (25).
O futuro da reciclagem foi tema de um dos trabalhos de Tilton (26). Nesse
trabalho o autor discute a evolução dos conceitos de escassez de matérias primas
para a produção na indústria metalúrgica e a importância da reciclagem, tanto de
sucatas primárias como de sucatas secundárias. Nele, o autor cita o fato das sucatas
primárias serem de fácil seleção nas fontes de produção em contraste com as sucatas
secundárias, que geralmente estão misturadas a outros materiais.
As preocupações ambientais são consideradas, pois as indústrias metalúrgicas
ainda causam poluição, apesar do desenvolvimento de processos menos poluidores,
para a obtenção de metais a partir dos minérios. Nesse aspecto, como a reciclagem
22
não causa problemas ambientais tão importantes, o desenvolvimento de novas
tecnologias nesse âmbito é enaltecido.
Numa economia de escala, a reciclagem de metais pode ter impacto importante
no produto interno bruto de um país, evitando a importação de matérias primas e, mais
ainda, o desenvolvimento de novos processos de reciclagem retém os gastos
realizados com a manufatura.
No interesse de viabilizar uma tecnologia de fusão de cavacos de Zircaloy,
Mucsi et al. (27) publicaram os progressos na consolidação de cavacos de Zircaloy. O
trabalho teve dois focos principais: o primeiro foi a consolidação dos cavacos de
Zircaloy oriundos da usinagem em torno da matéria prima prensados, para a
confecção dos elementos combustíveis para os reatores nucleares de Angra dos Reis,
e os estudos preliminares sobre o arco elétrico para o aprimoramento de um sistema
de controle automatizado para o processo.
Sobras de tubos também podem sofrer processo semelhante, sendo
necessário tritura-las para possibilitar posterior compactação, formando briquetes que
são então soldados entre si e após soldados no Stub (peça fixadora do forno VAR)
constituindo um eletrodo. O esquema abaixo ilustra a rota já viabilizada, utilizada pela
INB (informação obtida por comunicação interna) para a reciclagem de sobras de
tubos obtidos após processo de corte.
• Sobra de tubo de Zircaloy • Trituração das sobras de tubo • Compactação em briquetes • Soldagem dos briquetes e Stub para compor um eletrodo • Processo de refusão (VAR) • Obtenção do lingote
23
2.5. Refusão a arco elétrico sob vácuo
Os processos de metalurgia a arco elétrico sob vácuo destacam-se para a
produção e refino de metais como Zr, Ti, U (por serem reativos e refratários) e de ligas
especiais (aços especiais e superligas). Isso se deve à proteção e refino
proporcionados pelo ambiente de vácuo e pela intensa geração de calor do arco
elétrico, assim como pela possibilidade de obtenção de um produto final homogêneo e
controle das condições de fusão e solidificação (4). Dentre estes, os processos VAR
("Vacuum Arc Remelting") e VADER ("Vacuum Arc Double Electrode Remelting"),
pelas suas características oferecem alta eficiência energética, além da relativa
simplicidade das fontes de corrente necessárias à manutenção do arco elétrico, como
dos sistemas de vácuo e de controle (28).
A Figura 11 apresenta esquematicamente um forno VAR. Nesta, podemos
observar a simetria radial e a montagem vertical do equipamento. Na etapa inicial do
processo, um arco elétrico é estabelecido entre a extremidade inferior do eletrodo e o
fundo do cadinho, fundindo então o eletrodo devido à alta concentração de calor num
pequeno volume. Ao fundir-se, o metal líquido oriundo do eletrodo cai transitando
através do arco elétrico e deposita-se no fundo do cadinho, intensamente refrigerada
por um fluxo d'água na sua superfície externa, onde se resfria e solidifica. Com a
continuidade da fusão o novo material fundido deposita-se sobre o material do fundo.
Devido à diferença entre diâmetros do eletrodo e do cadinho, o eletrodo é
continuamente abaixado para que seja introduzido no cadinho, de forma a compensar
o seu consumo e manter a distância constante entre o eletrodo e a superfície superior
da poça líquida. A rápida solidificação do metal que entra em contato com a parede do
cadinho forma uma casca ("skull") a qual envolve e protege o metal líquido, não
permitindo a difusão ou reação entre estes (28).
24
Figura 11: Esquematização de um forno VAR típico (adaptado de (29))
A ação do arco elétrico no topo do lingote e a intensa refrigeração do cadinho
causam ao metal líquido um elevado gradiente térmico. Concomitantemente com a
velocidade de deslocamento da interface sólido-líquido, tal configuração é responsável
por um crescimento do tipo dendrítico colunar no lingote, causando então uma
significante anisotropia nas suas propriedades mecânicas. Além da anisotropia, a
solidificação contínua desfavorece a precipitação, comum nos processos de
lingotamento convencional, produzindo então um lingote com maior homogeneidade
na distribuição dos componentes da liga. O alto gradiente térmico é interessante
quando o crescimento direcional é desejado, tal qual na produção de pás de reatores
25
de turbinas. Porém, a necessidade de obtenção de lingotes com grãos pequenos e
sem orientação preferencial foi o que motivou o desenvolvimento do processo VADER
(Vacuum Arc Double Electrode Remelting) (29).
As características operacionais do forno VAR asseguram qualidades ímpares aos
seus produtos finais. Porém essa qualidade só é atingida se a preparação do material
para fusão for realizada adequadamente. Esta preparação consiste na confecção de
eletrodos longos (com a razão entre o comprimento e o diâmetro maior que a prevista
para o lingote), contendo distribuição homogênea da composição e os mesmos devem
ser retilíneos ao longo de seu comprimento.
A homogeneidade da composição se faz necessária, pois como mencionado
anteriormente, o processo de formação do lingote ocorre de forma contínua, ou seja,
variações de composição ao longo do eletrodo afetam a homogeneidade do lingote.
Esta característica é crítica na elaboração de ligas, porém não tão importante nas
fusões com vistas à extração de impurezas do material do eletrodo. O termo refusão
("remelting") é devido ao fato de parte das vezes, o eletrodo é proveniente de uma
fusão anterior. Essa fusão pode ser por outro processo como o VIM (Vacuum Induction
Melting), VAR ou mesmo pelo processo VADER, quando vários lingotes são soldados
para formar um eletrodo e então refundidos, pelo método VAR ou VADER (28).
As refusões sucessivas melhoram a homogeneidade do produto, porém no caso
de metais reativos (como o zircônio e o titânio), devem ser realizadas sob vácuo, com
cuidado para evitar a contaminação por gases. Em contrapartida deve-se manter uma
pressão tal que permita a estabilidade do arco elétrico. No caso de ligas, as pressões
no interior do forno devem ser escolhidas a fim de evitar a evaporação dos
componentes com maior pressão de vapor.
Uma abordagem qualitativa e quantitativa sobre refino químico é apresentada por
Dembowski (30). Seu trabalho apresenta o plasma como uma ferramenta para vários
26
processos metalúrgicos. Realiza também um tratamento termodinâmico dos vários
fenômenos físicos e químicos de interesse envolvidos em cada processo, fenômenos
esses, análogos aos que ocorrem na fusão pelo método VAR: destilação; dissociação
e fenômenos complexos para a eliminação de óxidos, sulfetos, nitretos, etc.
Alterações nas características originais do material do eletrodo ocorrem devido aos
fenômenos físicos e químicos decorrentes da exposição do metal líquido às baixas
pressões internas do forno e a alta temperatura do arco elétrico. Neste aspecto duas
situações se apresentam: A primeira é a extração, por destilação, de impurezas que
não interessam ao produto final, como no caso do refino do titânio (31) e do zircônio
(32). Em ambos a retirada de impurezas é tão grande que apenas pequena parte da
concentração inicial fica retida. A segunda situação apresenta a necessidade de
utilização de pressões mais altas na fusão de ligas nas quais as pressões de vapor de
seus componentes é mais alta. A determinação da pressão de operação e da
velocidade de bombeamento do forno VAR é feita de maneira direta e relativamente
simples para alguns casos (33).
Os materiais utilizados em equipamentos e dispositivos para reatores nucleares,
devido à alta responsabilidade destes, devem ter necessariamente uma qualidade
específica para o seu uso. Por isso, as ligas de zircônio, largamente utilizadas na
construção dos tubos do elemento combustível para reatores do tipo PWR
(Pressurized Water Reactor) usam a tecnologia de fusão a arco de eletrodos
consumíveis sob vácuo (34).
27
3. Procedimento experimental
No presente trabalho foram realizadas três etapas fundamentais: planejamento
e montagem dos eletrodos, ensaios de refusão e avaliação dos lingotes produzidos. A
seguir, serão apresentados todos os procedimentos realizados a fim de compreender
melhor os fenômenos que ocorrem e a origem dos problemas.
O processo de usinagem é especialmente delicado para ligas reativas, como é o
caso das ligas de zircônio. As ligas de zircônio são conhecidas por serem altamente
pirofóricas e por tanto, a etapa de trituração dos tubos é crítica. No presente trabalho,
o estudo da viabilidade de um processo de refusão inovador, excluindo a etapa de
trituração é apresentado. O esquema abaixo ilustra a rota estudada.
3.1. Materiais e equipamentos utilizados
Os tubos utilizados nos ensaios eram de Zircaloy-4 e Zirlo. Ambos foram utilizados
sem distinção já que o objetivo deste trabalho visa a viabilidade do processo, sem
entrar no âmbito de análises de composição química, microestrutural e de
solidificação. Vale ressaltar que do ponto de vista do processo, assumiu-se que as
diferenças de composição entre as ligas Zircaloy-4 e Zirlo não são significantes o
suficiente a ponto de inviabilizar os processos estudados. Os tubos foram fornecidos
• Sobra de tubo de Zircaloy
• Densificação por deformação plástica
• União dos tubos deformados (solda, abraçadeiras ou camisa)
• Soldagem no Stub (peça para fixação no forno VAR)
• Processo de refusão (VAR)
• Obtenção do lingote
28
pela INB (Indústrias Nucleares do Brasil) com duas geometrias distintas, como mostra
a tabela 4.
Tabela 4 - Dimensões dos tubos utilizados nos ensaios
Diâmetro externo [mm] Espessura de parede [mm] Diâmetro interno [mm]
Tipo 1 9,50 0,75 8,00
Tipo 2 15,60 0,80 14,00
Para o primeiro eletrodo foram utilizados tubos do tipo 1 (laminados) dentro de um
tubo de Inconel 617 com 6,00 cm de diâmetro interno, que os envolvia e os fixavam.
Durante o ensaio houve contaminação pelo Inconel 617 e uma nova configuração foi
testada no segundo eletrodo. O segundo eletrodo era composto apenas de tubos do
tipo 1 (laminados), fixados por abraçadeiras de aço inoxidável que auxiliaram a
soldagem TIG do conjunto de varetas. A soldagem foi realizada utilizando o próprio
tubo de zircônio como metal de adição. Para superar o rápido consumo ocorrido
durante o ensaio do segundo eletrodo, uma nova configuração com maior densidade
específica foi testada no terceiro eletrodo. O terceiro eletrodo era formado por um
conjunto de tubos do tipo 2 e, dentro de cada um, havia dois tubos laminados do tipo
1, como apresentado no capítulo 3.2.2. O conjunto foi amarrando com arame de aço
recozido que foi retirado após a soldagem do Stub.
Figura 12: À esquerda o tubo de Inconel 617 e à direita abraçadeira de inox (35)
_10cm_ _1cm_
29
O forno utilizado para as refusões era do tipo VAR (Vacuum Arc Remelting),
modelo L200 da ALD Vacuum Technologies. Os cadinhos utilizados eram de cobre e
possuíam as seguintes características apresentadas na tabela 5:
Tabela 5: Dimensões dos cadinhos de cobre utilizados
Diâmetro interno [mm] Comprimento interno [mm] Volume interno [cm³]
Cadinho 1 88 350 213
Cadinho 2 120 400 452
Antes de cada fusão, os cadinhos eram limpos com escova de aço, retirando as
camadas de metais e óxidos do processo anterior. Os anéis de vedação eram de
borracha e também eram limpos para retirar as sujeiras do processo anterior. Os anéis
de vedação além da limpeza recebiam também a lubrificação com graxa específica
para a aplicação. As Figuras 13 e 14 mostram os cadinhos utilizados.
A base do cadinho é removível para extração dos lingotes resultantes da refusão e
também facilita a limpeza e manutenção do mesmo. A Figura 15 mostra um exemplo
dessa base.
Figura 13: Cadinho de 88mm de diâmetro interno
_10cm_ _10cm_
30
Figura 14: Cadinho de 120mm de diâmetro interno
Figura 15: Base do cadinho utilizado
O cadinho é posicionado dentro da base do forno (que possui liberdade de ser
rebaixada e translada pra fora do forno) com a ajuda de um pórtico de carga, que
sustenta o cadinho através de uma cinta que é fixada no cadinho por olhais, como
mostra a Figura 16.
_10cm_ _10cm_
_10cm_
31
Figura 16: Posicionamento do cadinho no forno
Após o alojamento, a base do forno é translada para a sua posição de fechamento,
porém ainda na posição abaixada (Figura 17) para que a fixação do eletrodo seja feita.
A fixação do eletrodo é feita através de uma peça de cobre, aqui chamada de “Clamp”
(Figura 18.b). Essa peça é responsável por unir mecanicamente o braço
movimentador (lança) e o Stub. Após o aperto dos parafusos do Clamp (conjunto de 6
parafusos e 6 porcas) uma camisa (Figura 18.a) é colocada sobre o “Clamp”, para
evitar a formação arcos entre o Clamp e o cadinho. Cavacos de zircônio (facilitadores
do início do processo) são jogados no fundo do cadinho e a base do forno é elevada
para o fechamento do mesmo.
_10cm_
32
Figura 17: Base do forno abaixada
(a) (b)
Figura 18: (a) Clamp e (b) camisa do Clamp
_10cm_
_1cm_ _1cm_
33
3.2. Manufatura dos eletrodos
3.2.1. Laminação
Os eletrodos utilizados nos ensaios eram constituídos de varetas de
zircônio e, por possuírem geometria que não favorecia a densidade do mesmo,
os tubos foram laminados a fim de se aumentar a densidade relativa. A
laminação foi realizada no Laboratório de Processamento Termomecânico do
Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da COPPE/UFRJ.
Uma primeira vareta foi utilizada como sacrifício, sendo laminada em
passos de deformação (achatamento) pequenos, com redução de espessura
de 1mm, até que a fratura ocorresse nas laterais, sinalizando assim a máxima
deformação tolerada pelos tubos.
Figura 19: Laminador utilizado no achatamento dos tubos de zircônio
34
Em seguida, foram selecionadas as sobras que possuíam comprimento
semelhante para serem laminadas até o máximo possível determinado pela
vareta de sacrifício, sem que ocorresse fratura, de modo que todas ficaram
achatadas sem fraturar lateralmente.
Para facilitar o processo de laminação, todas as varetas utilizadas foram
achatadas na ponta, utilizando uma morsa de bancada. Também é valido
ressaltar que foram utilizadas guias para assegurar a direcionalidade correta de
laminação.
3.2.2. Soldagem e união
A união do eletrodo ao Stub deve ser realizada por meio de soldagem, a
qual deve garantir uma união estável entre eletrodo e a lança do forno e
contato elétrico para permitir a corrente de fusão.
Na primeira manufatura, as varetas foram inseridas em um tubo de
Inconel 617 com maior diâmetro e de menor comprimento, ficando unidas pelo
atrito de contato entre as paredes das varetas entre si e entre as paredes das
varetas mais externas com a parede do tubo que as revestia.
O primeiro eletrodo possuía peso estimado de 3kg, com comprimento total
de 950mm e comprimento útil (comprimento efetivamente utilizado na refusão)
de 500mm. A Figura 20 representa esquematicamente a configuração do
primeiro eletrodo.
35
Figura 20: representação esquemática do primeiro eletrodo.
O Stub (peça fixadora que faz parte da junção mecânica eletrodo-lança)
foi soldado ao conjunto das varetas através de soldagem TIG. Vale ressaltar
que o conjunto foi caldeado sem metal de adição e que nenhuma usinagem foi
realizada na região da solda a fim de facilitar a união.
O segundo eletrodo foi unido através de seis braçadeiras que concebiam
firmeza e estabilidade geométrica para a realização de uma soldagem TIG nas
varetas mais externas. A soldagem foi realizada com metal de adição, cujo era
constituído de tiras de zircônio, provenientes de uma laminação severa das
varetas que as fraturava em duas partes. Após a soldagem as abraçadeiras
foram retiradas, pois o eletrodo já possuía a firmeza necessária e durante o
processo de fusão as abraçadeiras constituídas de aço inoxidável poderiam
contaminar o lingote e favorecer arcos laterais.
500mm
3 Kg
Stub
Tubo de IN617
Varetas de Zircaloy
36
Figura 21: Soldagem do segundo eletrodo
Figura 22: Soldagem TIG autógena do segundo eletrodo
Figura 23: Soldagem TIG com metal de adição. Segundo eletrodo.
_10cm_
37
Figura 24: Processo de soldagem TIG do segundo eletrodo
Após a soldagem de união das varetas mais externas, uma das
extremidades (a que estava nivelada) foi caldeada com as tiras de zircônio e o
Stub foi inserido. Nesse eletrodo, a soldagem do Stub foi realizada por TIG.
Durante a fusão do segundo eletrodo houve interrupção do processo
devido a quebra na solda da região de interface Stub-varetas. Uma análise de
falha mostrou que a ruptura deveu-se à tricas na soldagem Após o
recondicionamento do eletrodo e stub, foi feita uma tentativa de soldagem
utilizando o próprio forno VAR.
Um terceiro eletrodo foi elaborado com uma configuração geométrica um
pouco diferenciada. Foram utilizadas algumas varetas com maior diâmetro,
capazes de alojar dentro delas duas varetas laminadas, com diâmetro menor,
como aquelas utilizadas nos eletrodos anteriores. A Figura 25 exemplifica essa
configuração.
38
Figura 25: Configuração de um dos tubos constituintes do terceiro eletrodo
O terceiro eletrodo teve seu Stub soldado pelo próprio forno VAR com o
intuito de evitar oxidação e, por consequência fragilização da solda. Evita-se a
oxidação com um ambiente de alto vácuo.
Este pesava 3,2Kg com comprimento total de 850mm e comprimento útil
de 730mm. Por segurança o comprimento máximo a percorrer foi definido
como 450mm. Os tubos foram amarrados lateralmente com arames de aço
recozido, com a função de apenas fixar até a soldagem do Stub. Após a
soldagem os mesmos foram removidos para não contaminar o lingote.
39
3.2.3. Soldagem no forno VAR
A etapa de soldagem no forno VAR surgiu da possibilidade de se realizar a
união Stub-varetas no próprio forno e também pela falha que ocorreu durante a fusão
do segundo eletrodo, já que a soldagem TIG era realizada por uma empresa externa
ao laboratório e que acarretava em uma demora significativa entre as tentativas e
custo.
A configuração de montagem para soldagem consiste em posicionar o corpo do
eletrodo em contato com o fundo do cadinho, e centralizá-lo alinhando-o com o Stub,
que fica fixado no braço movimentador (lança). O arco elétrico é aberto entre o corpo
do eletrodo, no caso, conjunto de varetas e o Stub, promovendo fusão localizada
nessa região. A Figura 26 mostra esquematicamente essa região.
Figura 26: Ilustração esquemática da soldagem do Stub realizada no forno VAR.
A primeira tentativa de soldagem foi feita utilizando parâmetros experimentais,
os mesmos utilizados em eletrodos de zircônio constituídos de briquetes. Durante a
tentativa de soldagem, houve uma falha de equipamento, interrompendo o processo. A
Figura 27 mostra a tela do computador de comando reportando os erros do processo.
Região onde o
arco elétrico se
estabelece
40
Figura 27: Imagem da tela do computador de comando mostrando as falhas do equipamento que causaram interrupção do processo.
A segunda tentativa de soldagem foi realizada já com o terceiro eletrodo. Como
observado na primeira tentativa de soldagem, o arco elétrico estabelecido entre o Stub
e as varetas deveria ficar mais concentrado na região de contato do Stub, já que na
última tentativa o Stub não sofreu nenhuma fusão e as varetas foram rapidamente
consumidas, o que faz sentido sabendo-se que o Stub possui uma área de contato
muito maior que a área das varetas (eletrodo). Logo, a densidade de corrente no
eletrodo é muito maior que no Stub, gerando a fusão preferencial do eletrodo e não do
Stub.
Como solução, uma alteração foi feita na base do Stub para permitir maior
concentração de energia térmica e fusão localizada no Stub para permitir união com o
eletrodo de tubos. Um chanfro de aproximadamente 45o foi feito no Stub, juntamente
41
com um abaulamento interno, resultando em uma configuração pontiaguda que é
esquematicamente ilustrada na Figura 27.
Figura 28: Ilustração do Stub usinado utilizado no terceiro eletrodo
A soldagem utilizando o Stub com chanfro foi bem sucedida e o eletrodo
prosseguiu para o processo de refusão, após ter o equipamento recondicionado para
tal procedimento.
3.3. Ensaios de refusão
A tabela 6 fornece as informações dos ensaios de refusão realizados.
Tabela 6 – Informações dos ensaios
1º Eletrodo 2º Eletrodo 3º Eletrodo
Varetas utilizadas Ø 9,50mm Ø 9,50mm Ø 9,50mm e 15,60mm
Diâmetro aproximado 60mm 50mm 50mm
Comprimento útil 500mm 770mm 730mm
Comprimento total 950mm 875mm 850mm
Peso do Stub 2,0kg 0,4kg 1,5kg
Peso do conjunto de tubos 3,0kg 3,2kg 1,7kg
Diâmetro do cadinho 120mm 88mm 88mm
Comprimento do cadinho 400mm 350mm 350mm
Nº de tentativas de fusão 1 2 2
Tipo de solda Stub-Tubos TIG TIG/VAR VAR
Fixação dos tubos Tubo de Inconel 617 Abraçadeiras/ TIG Arame de aço recozido
45o
42
(1)
3.3.1. Cálculo do curso do eletrodo
Para calcular o curso do eletrodo, isto é, calcular quanto a lança pode descer
sem que haja transbordo no cadinho, é necessário utilizar a seguinte fórmula:
Onde:
Essa fórmula faz a equivalência de alturas utilizando o princípio de que o
volume se mantém constante, ou seja, o volume inicial (volume do eletrodo) é igual ao
volume do tarugo (volume do cadinho preenchido até a altura desejada). Também
considera que as densidades do eletrodo e do lingote são iguais, o que não é verdade
para este caso. Vale citar que tanto o eletrodo quanto o cadinho foram considerados
perfeitamente cilíndricos, e que são tomadas três medidas de diâmetro ao longo do
eletrodo já que há pequenas variações entre os valores obtidos na base e os obtidos
no topo.
43
Para calcular o curso do eletrodo, devemos determinar qual vai ser a altura do
tarugo. Feito isso, podemos então calcular qual seria a altura equivalente para o
eletrodo com uma área transversal menor que a do cadinho. Ajustes podem ser feitos,
assim eletrodos curtos podem ser utilizados determinando uma altura de tarugo
menor.
Figura 29: Ilustração do curso do eletrodo
Existe um detalhe importante na hora de definir o curso, e ele provém do fato
de que a ponta do eletrodo já fica quase em contato com o fundo do cadinho.
Descontamos então, a altura do cadinho da altura do eletrodo encontrado na fórmula.
A Figura 29 ilustra esquematicamente o que seria essa configuração inicial e o
caminho que o braço irá percorrer até o final do ensaio.
Curso do eletrodo
Altura do eletrodo para
fusão
Altura do tarugo/cadinho
Volume a ser
preenchido
durante o ensaio
44
Após obter o curso possível, deve-se verificar se o Stub estará a uma distância
segura ao final do processo, i.e. fora da região de fusão do cadinho, dirimindo a
possibilidade de arcos laterais nessa região, que podem vir a danificar o equipamento
(principalmente os componentes de fixação do eletrodo). A Figura 30 mostra um
exemplo de uma fusão do Clamp.
Figura 30: Exemplo de fusão do Clamp e Stub. Problema que pode ocorrer caso haja aproximação dessa região com o cadinho durante o processo de refusão.
3.3.2. Cálculo do curso pela massa
Lembrando que o cálculo do curso a ser percorrido pelo braço do eletrodo
(lança) é válido apenas para densidades de eletrodo e lingotes aproximadamente
iguais, utilizamos a massa do eletrodo de tubos para encontrarmos a altura
equivalente do lingote.
Sabendo-se o valor da densidade das ligas de zircônio pode ser aproximada
pela densidade do zircônio, 6,5g/cm3 (36), podemos calcular qual seria a altura do
tarugo sabendo a massa de eletrodo disponível para fusão.
Stub
Clamp
_2cm_
45
(2)
(3)
(4)
(4)
Onde:
Deve-se descontar o valor de L do comprimento do eletrodo, e este valor será o
curso do braço que segura o eletrodo (lança).
Como exemplo, o cálculo de um dos eletrodos foi o seguinte:
Utilizando o cadinho com 88mm de diâmetro, obtemos a área transversal do
mesmo, lembrando que ele possui geometria cilíndrica.
A massa do eletrodo obtido foi de 3,25Kg. Podemos então calcular a altura do
tarugo resultante da fusão desse eletrodo:
46
O eletrodo possuía comprimento de 65,0cm. Descontando o valor de 8,2cm,
obtemos um percurso de 56,8cm. Esse é a distância que o braço que fixa o eletrodo
(lança) percorrerá gradativamente desde o início da fusão até o término da mesma.
3.4. Preparo
Primeiramente foram realizadas as medidas do eletrodo (diâmetro ao longo do
eletrodo, comprimento) e pesagem (peso total e peso do Stub). Após essa etapa o
eletrodo foi soldado, por TIG ou por forno VAR, mantendo sua geometria. O cadinho
selecionado foi limpo e suas vedações limpas e engraxadas.
Para preparar o forno para os ensaios foi necessário verificar o aperto das
travas do fundo do cadinho, cujo é removido para extração do tarugo ao final de todos
os processos. Após verificar o cadinho, o mesmo foi posicionado na base do forno e
então cavacos de zircônio (provenientes da usinagem de outros eletrodos) foram
inseridos dentro dele. Os cavacos são inicializadores de fusão, facilitando a abertura
do arco elétrico.
O eletrodo é fixado à lança através do Clamp e o forno é então fechado. O sistema
de vácuo é ligado através do computador de controle. O sistema de arrefecimento
também já pode ser ligado e testado. Quando o a pressão interna atinge um valor
próximo de 10-4 mbar, faz-se um teste de vedação e caso esteja tudo certo, o processo
de refusão já pode ser iniciado. Todo o controle é feito em uma sala separada do
forno, através do computador e painéis de comando.
47
3.5. Operação
Para dar início a operação, todos os passos de preparação devem ser realizados e
checados. Através do painel de comando, a chave do retificador é ligada. Todos os
parâmetros do processo, tanto de entrada quanto de leitura, são informados no
computador de controle. O operador do forno escolhe os valores de corrente,
voltagem, velocidade da lança, taxa de fusão, taxa de gotejamento, corrente da bobina
e deslocamento da lança. Esse controle pode ser feito pré-programado ou de maneira
manual. Muitas vezes é necessário intervir manualmente na pré-programação devido a
algum problema operacional. O sistema é interrompido automaticamente caso haja
alguma falha do equipamento e, obviamente, pode-se interromper o processo
manualmente em caso de emergência.
4. Resultados e discussão
4.1. Análise das refusões
O primeiro eletrodo foi fundido sem grandes problemas operacionais, como
mostrado na Figura 31. Os picos na curva de tensão ocorreram devido ao aumento
da distância entre a ponta do eletrodo e o fundo do cadinho. A agitação magnética
foi utilizada nessa fusão em modo de corrente contínua, que promove agitação em
um sentido único. Os efeitos observados foram:
1. Confinamento do arco elétrico na região da ponta do eletrodo
2. Presença de coroa (rebarba no topo) acentuada no lingote
3. Presença de poucos arcos laterais
48
Figura 31: Registro da refusão do primeiro eletrodo.
A primeira tentativa de fusão do segundo eletrodo apresentou alguns arcos
laterais (Figura 32), o que pode ser observado nos vales da curva de tensão. A
agitação magnética foi utilizada no modo de corrente alternada por um curto período e
desligada devido à aparição de arcos laterais. O processo foi interrompido devido a um
problema no equipamento.
Figura 32: Registro da primeira tentativa de refusão do segundo eletrodo.
49
A segunda tentativa de fusão do segundo eletrodo (Figura 33) foi bastante
problemática. Arcos laterais ocorreram diversas vezes. Apesar dos arcos laterais, o
eletrodo foi fundido até o curso calculado.
Figura 33: Registro da segunda tentativa de refusão do segundo eletrodo.
A primeira tentativa da fusão do terceiro eletrodo (Figura 34) ocorreu com a
presença de alguns arcos laterais. O problema mais grave ocorreu aos 03:30 min de
processo, onde houve rompimento na região do Stub.
Figura 34: Registro da primeira tentativa de refusão do terceiro eletrodo.
50
Antes da segunda tentativa de fusão do terceiro eletrodo, uma nova soldagem
no forno foi realizada, porém o Stub foi usinado para deixa-lo com menor área de
contato com os tubos, favorecendo a fusão localizada no Stub, o que não havia
acontecido na primeira soldagem. O processo, como mostrado na Figura 35, estava
prosseguindo sem problemas até o momento em que o forno desarmou
automaticamente (região onde corrente e tensão zeram). O problema sinalizado pelo
sistema como “Rack Fault” ocorreu devido à perda de pressão no sistema pneumático
do suporte da base do forno. O sistema foi pressurizado e após 04:23 min o processo
foi retomado, ocorrendo duas aproximações do eletrodo com o fundo do cadinho
(tensão zerada) pois estava sendo operado manualmente.
Figura 35: Registro da segunda tentativa de refusão do terceiro eletrodo. O gráfico foi cortado na região onde o equipamento desativou.
Pode-se observar que o processo foi bastante linear nessa primeira parte da
Figura 35, antes da interrupção automática na segunda tentativa de fusão do terceiro
eletrodo.
51
4.2. Análise macrográfica
As Figuras 36 e 37 mostram um defeito no segundo eletrodo (após a primeira
tentativa e soldagem no forno) devido a uma fusão ocasionada por arco lateral. Pode-
se observar que a ponta do eletrodo foi fundida em uma região preferencial.
Figura 36: Defeitos no segundo eletrodo
A Figura 38 mostra a região do Stub onde houve ruptura do eletrodo. A região
já havia sido identificada com uma trinca transversal.
_10cm_
52
Figura 37: Vista do eletrodo com defeito por outro ângulo
Figura 38: Região da ruptura do eletrodo
_10cm_
_1cm_
53
A Figura 39 mostra o lingote resultante da primeira fusão. Ele apresentou
falhas no fundo, como todos os outros.
Figura 39: Lingote resultante da primeira fusão
A Figura 40 mostra à esquerda o lingote resultante da segunda tentativa de
fusão do terceiro eletrodo, onde houve interrupção do processo e à direita o lingote da
primeira fusão do segundo eletrodo. Pode-se observar uma falha na região central do
lingote, com probabilidade de ter sido ocasionada pela interrupção.
Figura 40: À esquerda a seção meridiana do lingote do terceiro eletrodo. À direita a seção meridiana do lingote do segundo eletrodo. Pode-se observar vazios no lingote do terceiro eletrodo.
_2cm_
54
5. Conclusões
Baseado nos testes realizados pode-se verificar a viabilidade da nova rota de
fusão direta das varetas de zircônio, sem as etapas de trituração (perigosa devido ao
caráter pirofórico do zircônio), e consequentemente sem as etapas de compactação
em briquetes e soldagem dos mesmos para formação do eletrodo.
Um aspecto importante é a necessidade de se aumentar a densidade relativa do
eletrodo, dado que a diferença das “densidades aparentes” entre eletrodo e lingote
gera lingotes pequenos e com defeitos de fusão.
A união entre o conjunto de varetas e Stub é um ponto crítico no processo, dada a
possibilidade de formação de defeitos na solda, fragilizando a união e a diferença na
área de contato do Stub e conjunto de varetas leva a grandes variações na densidade
de corrente e fusão localizada em apenas uma das partes.
A escolha do cadinho correto em função do diâmetro do eletrodo é importante,
evitando a formação de arcos laterais, gerando perda de controle do processo e
defeitos de fusão no lingote.
A utilização da corrente de bobina em modo contínuo promove a fusão com mais
estabilidade que o modo alternado ou sem corrente. Contudo, deve-se considerar a
formação de coroa acentuada no lingote.
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