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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

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• 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)

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• 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)

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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


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Gartling and Sackinger, Intl. J. Numerical Methods in Fluids, 24 (1997) 1271–1289.

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Modos de controle:

• Velocidade de fusão (melt rate)

• Tensão do arco


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Modos de controle:

• Velocidade de fusão (melt rate) – depende de experiência acumulada

num dado material/eletrodo

• Tensão - depende fortemente da estabilidade do arco


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Ciclo típico de fusão a arco (VAR)

K. M. Kelkar et al., Intl. Conf. On Titanium, 2007.

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Tipos de eletrodos:

• Maciços (lingotes)

• Sucata (aparas metálicas e/ou cavacos prensados)

• Pós prensados (briquetes)


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Tipos de eletrodos:

• Maciços (lingotes)



Risco de instabilidade do arco!


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Tipos de eletrodos:



Risco de instabilidade do arco!

d varia durante a queda do fragmento

Problema real na fusão de ligas

reativas e refratárias!!!


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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).


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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...


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


A. Mitchell, Mater.Sci. Eng. A243 (1998) 257–262.

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Defeitos metalúrgicos associados:

• Tree-ring patterns (menos nocivos às

propriedades, exceto se associados a carbonetos,

vindo a formar freckles).


X. Xu et al. Metall. Trans. 33A (2002) 1795-1804.

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Efetivo na remoção de inclusões:

• Dissociação térmica de óxidos e nitretos mais instáveis

• Flotação (ex.: alumina, TiN e TiCN)


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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

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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

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• 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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• 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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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

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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


10:44:0420

21

22

23

24

25T

ensã

o -

DC

(V

)

Tempo (h:min:s)

Tensão - DC

EEL- USPEEL- USP


10:09:04 10:34:04 10:59:04 --

0

1

2

3

4C

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nte

(kA

)

Tempo (h:min:s)

Corrente

EEL- USPEEL- USP


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

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