Fundição especial: Tudo o que você precisa saber

1. Introdução

1.1 Desenvolvimento da fundição especial

A fundição especial é um método especial e eficaz para a produção de aço especial, ligas de alta temperatura, ligas de precisão e aços de alta liga.

Os materiais metálicos representados pelo aço têm sido amplamente utilizados na economia nacional, na construção da defesa nacional, nos campos científico e tecnológico, etc.

O rápido progresso da tecnologia eletrônica contemporânea, da tecnologia aeroespacial, da tecnologia de navegação e de energia e de outros campos gerou requisitos cada vez mais altos de qualidade e variedade de aço e ligas.

 Por exemplo, é necessário que o aço ou as ligas possam trabalhar de forma confiável em ambientes de alta temperatura, alta pressão, alta velocidade, carga dinâmica, alta radiação e meio altamente corrosivo.

No entanto, os métodos convencionais de fundição, como conversor, forno de lareira aberta e forno a arco, são difíceis de atender aos requisitos reais e não podem fornecer produtos de alta qualidade, o que exige o uso de métodos especiais de fundição.

Os métodos comuns de fundição especializada incluem fusão por indução, metalurgia por eletroescória, arco de plasma fusão, refusão a arco a vácuo e processo de fusão por feixe de elétrons.

(1) Fusão por indução

A fusão por indução é um método de aquecimento e fusão de metais que utiliza o princípio da indução eletromagnética.

De acordo com a frequência, pode ser dividido em forno de frequência de potência, forno de frequência média e forno de alta frequência; de acordo com a atmosfera e a estrutura, pode ser classificado em forno de indução a vácuo, forno de indução a plasma e outros fornos para diferentes finalidades.

Os fornos de alta frequência são usados principalmente para fundir ferro fundido, os fornos de alta frequência são usados principalmente para pesquisas de laboratório, enquanto os fornos de média frequência são usados principalmente para produzir aço e ligas de alta qualidade, com vantagens de velocidade de fusão rápida, alta eficiência de produção, forte adaptabilidade, uso flexível, bom efeito de agitação eletromagnética e operação de inicialização conveniente.

Atualmente, a fundição em forno de indução se tornou um método importante para a produção de ligas especiais, como aço especial, ligas de precisão, ligas para aquecimento elétrico, ligas de alta temperatura e ligas resistentes à corrosão.

(2) Metalurgia de eletroescória

A metalurgia de eletroescória é um método especial de fundição que usa o calor gerado pela resistência da escória causada pela corrente que passa pela escória líquida para aquecer e refinar o metal.

Seu núcleo é a refusão por eletroescória (ESR), que tem como objetivo purificar ainda mais o aço e as ligas e melhorar a estrutura cristalina dos lingotes com base no refino inicial, obtendo assim produtos metálicos de alta qualidade.

A refusão por eletroescória é adequada para a produção de peças forjadas de médio e grande porte. O produto após a refusão tem baixo teor de fósforo e enxofre, baixa não metálico inclusões, estrutura densa do lingote refundido e fundição sem encolhimento, melhorando muito a qualidade do produto, bem como suas propriedades mecânicas, desempenho de processamento e usabilidade.

(3) Fusão a arco a vácuo

A fusão a arco a vácuo pode formar um baixo potencial de oxigênio e uma condição de fusão de alta temperatura, por isso foi usada já no século passado para a fusão de metais refratários ou oxidáveis, como platina, tântalo e tungstênio.

Com o desenvolvimento da indústria mecânica, o método de refusão a arco com eletrodo consumível a vácuo foi aplicado com sucesso na produção de titânio e suas ligas, ligas de precisão, ligas de alta temperatura e metais refratários.

Esse método de fundição se desenvolveu rapidamente nas décadas de 1940 e 1950, com capacidades cada vez maiores. Até hoje, na fundição especializada, a fusão a arco a vácuo ainda é um dos principais métodos de refusão e refino.

(4) Fusão por feixe de elétrons

A refusão por feixe de elétrons (EBM) é um método de fundição que usa um canhão de elétrons para emitir feixes de elétrons de alta velocidade como fonte de calor para fundir metais em condições de alto vácuo.

Começou com a fundição de metais refratários (tântalo, nióbio, háfnio, tungstênio, molibdênio, etc.) e agora se expandiu para a produção de materiais semicondutores, ligas magnéticas de alto desempenho e alguns aços especiais, como aço para rolamentosaço inoxidável resistente à corrosão e ferro puro de carbono ultrabaixo.

Além disso, os fornos de refusão por feixe de elétrons também podem ser usados para fundir determinadas ligas resistentes ao calor, especialmente ligas contendo tungstênio e molibdênio com nióbio ou tântalo como componente principal.

(5) Fusão por arco de plasma

A fusão por plasma é um novo método de fundição que usa um arco de plasma como fonte de calor para fundir, refinar e refundir metais.

As possíveis vantagens do uso de um arco de plasma como fonte de calor metalúrgico são: energia concentrada, alta temperatura (5000-300.000 K), taxa de fluxo rápido de íons (100-500 m/s), aquecimento rápido e reação rápida, etc. O gás está em um estado ionizado, e a atividade de reação é forte.

O gás pode ser selecionado de acordo com as necessidades, como o uso de gases redutores (hidrogênio, monóxido de carbono, alcanos e alcenos, etc.) para reduzir ou refinar diretamente a carga, e também pode desoxidar para tornar os lingotes livres de produtos residuais de desoxidação.

Sob a ação do arco de plasma de alta temperatura, impurezas como S, P, Pb, Bi, Sn e As são facilmente volatilizadas. Elas podem derreter materiais metálicos e também derreter materiais não metálicos.

1.2 Principais produtos produzidos pela usina de fundição especial

A fundição especial é um método especial e eficaz para a produção de ligas avançadas, como aço especial, liga de alta temperatura, liga de precisão, aço de alta liga, metais refratários e ligas, titânio e ligas de titânio, ligas de aquecimento elétrico, etc.

(1) A liga de precisão, um tipo de metal e liga com propriedades físicas especiais, é usada principalmente para fabricar materiais importantes, como instrumentos de precisão, controles, telemetria, aparelhos elétricos, acessórios e dispositivos eletrônicos no setor aeroespacial, bem como sensores e transdutores em sistemas de armas, com base em suas propriedades físicas em vez de componentes estruturais.

Na China, a letra "J" é usada antes de um número para indicar sua categoria de liga; por exemplo, "1J" representa uma liga magnética macia, "2J" representa uma liga magnética permanente, "3J" representa uma liga elástica, "4J" representa uma liga de expansão térmica, "5J" representa um bimetal térmico e "6J" representa uma liga de resistência.

(2) A liga de alta temperatura (liga resistente a altas temperaturas ou superliga resistente ao calor) é uma importante material metálico para turbinas a gás de aviação, turbinas a gás de navios e motores de foguetes. Ele tem maior resistência à deformação por fluência e à fratura por fluência, além de resistência à corrosão e ao choque térmico.

1.3 Indicadores de avaliação de qualidade para fusão de aço e ligas

(1) Controle de componentes:

Além de controlar C, Mn, Si, P e S, que normalmente são controlados na produção de aço, o controle de componentes também inclui o controle de elementos de liga como Cr, Ni, Mo, W, Nb, V, Al, Ti e oligoelementos B, Ce, La, Zr, Mg, Ca, Hf, Y, Sm. O controle ideal da composição depende muito do processo de fundição.

(2) Pureza:

A pureza do aço e das ligas refere-se à quantidade de impurezas prejudiciais e ao conteúdo de gás, incluindo principalmente os seguintes aspectos.

1. Impurezas não metálicas

As impurezas não metálicas geralmente se referem a S, P, Ce, Br, I, etc. Diferentes tipos de aço têm requisitos diferentes para o teor de S e P.

Por exemplo, para aço comum, w(S)≤0,055%, w(P)≤0,045%; para aço de alta qualidade, w(S)≤0,045%, w(P)≤0,040%; para liga de açopara aço avançado de alta qualidade, w(S)≤0,030%, w(P)≤0,035%; enquanto para algumas ligas de alta temperatura, w(S)≤0,030%.

Para Ce, Br, I, etc., alguns padrões técnicos estipulam que eles devem ser inferiores a 0,0025%.

2. Gás

Em geral, quanto menor o teor de oxigênio, hidrogênio e nitrogênio em aço e ligas, melhor será seu desempenho.

3. Inclusões não metálicas

A influência das inclusões não metálicas no desempenho do aço e das ligas não está relacionada apenas à sua quantidade, mas também ao seu tipo, tamanho, morfologia e distribuição.

Portanto, o conteúdo e o status de distribuição das inclusões não metálicas são um dos indicadores importantes para avaliar a qualidade do aço e das ligas, e a inspeção convencional usa o método de comparação de grau padrão.

4. Impurezas metálicas

As impurezas metálicas referem-se principalmente a Pb, Sn, As, Sb, Bi e outras impurezas de elementos residuais em aço e ligas. O teor de impurezas metálicas tem um impacto significativo no desempenho do aço e das ligas.

5. Estrutura do elenco

A estrutura de fundição dos lingotes de aço e ligas tem uma influência importante sobre a plasticidade do trabalho a quente dos lingotes e sobre a propriedades mecânicas do aço.

A estrutura de fundição de bons produtos metalúrgicos deve ter as seguintes condições: as especificações atendem aos requisitos; a qualidade da superfície é boa; o encolhimento é pequeno; o lingote é denso; a composição e a estrutura organizacional são uniformes, o grau de segregação é pequeno; a estrutura cristalina é boa.

1.4 Influência do processo na microestrutura e nas propriedades do aço e das ligas

(1) O controle de componentes afeta o desempenho do aço e das ligas.

Diferentes métodos de fundição têm diferentes graus de controle de componentes, sendo que os fornos a arco a vácuo são melhores no controle de elementos facilmente oxidáveis e a refusão por eletroescória tem menos perda de elementos voláteis.

(2) A pureza afeta o desempenho do aço e das ligas.

A fusão a vácuo tem baixo teor de impurezas metálicas nocivas e de oxigênio, e a refusão por eletroescória tem boa capacidade de dessulfurização e remoção de inclusões de óxido.

(3) O controle da microestrutura afeta o desempenho do aço e das ligas.

Os lingotes de refusão por eletroescória têm um desenvolvimento de eixo de cristal colunar e baixa segregação de porosidade.

2. Fusão em forno de indução

2.1 Princípio de funcionamento e equipamento do forno de indução

2.1.1 Princípio de funcionamento do forno de indução

Todos os tipos de fornos de indução, independentemente de serem com ou sem núcleo, bem como de operarem em baixa frequência, frequência intermediária ou alta frequência, seu circuito básico é composto por uma fonte de alimentação variável, capacitores, uma bobina de indução e materiais metálicos do forno no cadinho (Figura 2-1).

(1) Princípio do aquecimento por indução

O princípio do aquecimento por indução baseia-se nas duas leis básicas da eletricidade a seguir: primeiro, a lei de Faraday da indução eletromagnética.

        E=B-L-v-sin∠（v-B） (2-1)

em que L é o comprimento do fio no campo magnético;

(v-B) é o ângulo entre a direção da força de indução magnética e a direção da velocidade.

A outra lei fundamental é a lei de Joule-Lenz. Essa lei também é conhecida como o princípio do efeito térmico elétrico. A lei de Joule-Lenz pode ser expressa na forma da equação (2-3):

Q = I ² R t                                    (2-2)

em que Q é o calor de Joule-Lenz, em J; I é a intensidade da corrente, em A;

R é a resistência do condutor, em Ω; t é o tempo em que o condutor é energizado, em s.

Quando uma corrente alternada com uma frequência f flui pela bobina de indução de um forno de indução sem núcleo, um campo magnético alternado é gerado no espaço ao redor da bobina de indução e em seus arredores.

A polaridade, a força da indução magnética e a frequência do campo magnético alternado mudam com a corrente alternada que gera esse campo magnético alternado. Se o cadinho for revestido com a bobina de indução e preenchido com materiais de forno de metal, parte das linhas de campo magnético do campo magnético alternado passará pelos materiais de forno de metal.

A alternância das linhas de campo magnético é equivalente ao movimento relativo das linhas de campo magnético de corte entre os materiais do forno de metal e as linhas de campo magnético.

Portanto, uma força eletromotriz induzida (E) será gerada nos materiais do forno de metal, e sua magnitude pode ser determinada pela equação a seguir:

E = 4,44 Ф- f - n (2-3)

em que Ф é o fluxo magnético do campo magnético alternado na bobina de indução, em Wb;

f é a frequência da corrente alternada, em Hz;

n é o número de voltas do circuito formado pelos materiais do forno, geralmente n=1;

A partir da equação acima, é possível observar que, para gerar uma tensão induzida maior nos materiais do forno, teoricamente é possível aumentar o fluxo magnético, a frequência e o número de voltas.

No entanto, como as linhas de campo magnético geradas depois que a bobina de indução é energizada são forçadas a passar pelo ar (no caso de um forno de indução sem núcleo), e o ar tem uma alta relutância magnética, o fluxo magnético é relativamente pequeno, dificultando o aumento do fluxo magnético, e o número de voltas dos materiais do forno é geralmente igual a l.

Portanto, para aumentar a tensão induzida, é melhor usar o método de aumento da frequência.

Como os próprios materiais do forno de metal formam um circuito fechado, a corrente induzida (I) gerada nos materiais do forno de metal é:

em que R é a resistência efetiva do material do forno de metal, em Ω;

A taxa de aquecimento do material do forno depende da corrente induzida, da resistência efetiva do material do forno e do tempo de energização. A corrente induzida depende da magnitude da força eletromotriz induzida, ou seja, da magnitude do fluxo magnético que passa pelo material do forno e da frequência da corrente alternada que flui por ele. A magnitude da corrente induzida depende do tamanho do bloco de material do forno.

(2) Agitação eletromagnética

Quando uma corrente induzida flui pelo material do forno, ele será inevitavelmente submetido a forças eletromagnéticas, causando o movimento direcional do material do forno de metal, ou seja, o efeito de "agitação eletromagnética". Seus benefícios são os seguintes:

1) temperatura uniforme do líquido metálico.

2) Homogeneização do líquido metálico.

3) Melhorar as condições cinéticas das reações físicas e químicas.

2.1.2 Equipamento de trabalho do forno de indução

Os fornos de indução podem ser divididos em dois tipos: sem núcleo e com núcleo, sendo que o último raramente é usado na fabricação de aço e não será discutido aqui. Quanto aos fornos de indução sem núcleo, eles geralmente podem ser classificados em três tipos de acordo com a frequência de energia: o forno de frequência de linha (com frequência de 50 ou 60 Hz), que é conectado diretamente à rede elétrica por meio de um transformador e é usado principalmente para derreter ferro fundido; o forno de alta frequência (com uma faixa de frequência de 10 KHz a 300 KHz), que usa um oscilador de tubo eletrônico de alta frequência e é usado principalmente para pequenas pesquisas de laboratório; e o forno de média frequência (com uma faixa de frequência de 150 Hz a 10.000 Hz), que usa um grupo gerador de média frequência, triplicador ou tiristor estático conversor de frequência.

O conjunto completo de equipamentos para fornos de indução de média frequência inclui: a fonte de alimentação e a parte de controle elétrico, o corpo do forno, o dispositivo de transmissão e o sistema de resfriamento de água.

2.2 Características da fusão em forno de indução

(1) Aquecimento por indução eletromagnética. Como o método de aquecimento é diferente, os fornos de indução não exigem eletrodos de grafite necessários para o aquecimento por arco elétrico, nem zonas de superaquecimento localizadas sob o arco, eliminando, assim, a possibilidade de aumento de carbono no eletrodo. Os fornos de indução podem fundir aço de baixo carbono e ligas que são difíceis de fundir em fornos elétricos a arco, criando condições favoráveis para a produção de produtos com baixo teor de gás.

(2) Há um certo nível de agitação eletromagnética na poça de fusão. A agitação do metal causada pela indução eletromagnética promove composição e temperatura uniformes, coalescência de inclusão, crescimento e flutuação no aço. A perda de elementos de liga durante o processo de fusão do forno de indução é relativamente pequena, de modo que a composição prevista é mais precisa, o que favorece o controle dos componentes e reduz o tempo de fusão.

(3) A proporção da área da superfície da poça de fusão é pequena. Isso é vantajoso para reduzir a perda de elementos facilmente oxidados no metal fundido e reduzir a absorção de gás. Portanto, os fornos de indução criaram condições relativamente favoráveis para a fusão de aços e ligas de alta liga, especialmente os que contêm titânio, alumínio ou boro. No entanto, ele é propenso a formar pouca fluidez e baixa força de reação, o que não favorece a reação metalúrgica na interface da escória e do aço. Por esse motivo, os requisitos para matérias-primas na fusão em forno de indução são relativamente rigorosos.

(4) Ajuste conveniente da potência de entrada. Durante o processo de fusão do forno de indução, a potência de entrada pode ser ajustada de forma conveniente. Portanto, a temperatura de fusão da piscina fundida pode ser controlada com mais precisão, o forno pode ser isolado e o aço pode ser produzido várias vezes, criando condições para a fusão de produtos com diferentes composições em um único lote.

(5) A mesma fonte de energia pode fornecer energia a vários fornos de capacidades diferentes (mas não ao mesmo tempo), de modo que a flexibilidade dos fornos de indução é maior do que a dos fornos elétricos a arco em termos de capacidade de fundição.

(6) Alta eficiência térmica. O método de aquecimento dos fornos de indução e a pequena área de superfície resultam em menor dissipação de calor e, portanto, a eficiência térmica dos fornos de indução é maior do que a dos fornos elétricos a arco. Entretanto, a eficiência elétrica dos fornos de indução é menor do que a dos fornos elétricos a arco, de modo que a eficiência total dos dois tipos de fornos elétricos é semelhante.

(7) Menos fumaça e pouca poluição ambiental. Ao derreter em fornos de indução, basicamente não há chama ou produtos de combustão.

(8) Consome mais material refratário do que os fornos elétricos a arco e tem uma vida útil mais curta do cadinho. A necessidade de materiais refratários no cadinho é alta, portanto, o custo dos materiais refratários por tonelada de aço também é maior do que o dos fornos elétricos a arco.

2.3 Princípios de fusão do forno de indução

2.3.1 Oxidação e desoxidação de elementos

O oxigênio existe em dois estados no aço fundido. Um é o oxigênio dissolvido, representado por [O], e sua solubilidade aumenta com o aumento da temperatura. O outro é o oxigênio que existe na forma de inclusão no aço fundido. Quando elementos desoxidantes estão presentes no aço fundido, o oxigênio dissolvido no aço fundido se combina com eles para formar inclusões de óxido. As fontes de oxigênio no aço fundido incluem principalmente a invasão de oxigênio da atmosfera durante a fusão e a fundição, o oxigênio trazido com as matérias-primas e o oxigênio que entra pelos materiais refratários.

(1) Capacidade de desoxidação dos elementos

O grau de dificuldade de oxidação de vários elementos é chamado de estado de oxidação, também conhecido como capacidade de desoxidação. Refere-se ao teor de oxigênio residual dissolvido no aço em equilíbrio com uma determinada concentração de elementos desoxidantes a uma determinada temperatura e pressão. Quanto menor o teor de oxigênio, maior a capacidade de desoxidação desse elemento. A fórmula geral para a reação de desoxidação de um elemento é:

x[M]+y[O]=M_xO_y                       （2-5）

Se os óxidos metálicos forem considerados substâncias puras que não são solúveis em aço fundido e o teor de elementos metálicos e o oxigênio é baixo no aço fundido, então temos:

Na fórmula, a_MxOy representa a atividade do óxido obtido pela desoxidação do elemento, a_[M] representa a atividade do elemento desoxidante no aço, e a_[O] representa a atividade do oxigênio no aço. Quando o produto da desoxidação é um óxido puro ou em um estado saturado, um_MxOy é igual a 1. Quando fM=1, f0=1 ou fMx.f0y=constante, então,

Seja KM = 1/K. Então, KM = [%M]x.[%O]y (2-8).

A magnitude do KM pode ser usada para determinar a capacidade de desoxidação de um elemento. Quanto menor o valor de KM, maior a capacidade de desoxidação do elemento. A Figura 2-7 e a Tabela 2-8 fornecem uma comparação das capacidades de desoxidação de elementos em ferro fundido e níquel a uma temperatura de 1.600°C. Em geral, no ferro fundido a 1600°C, a ordem da capacidade de desoxidação, da mais forte para a mais fraca, é a seguinte Ba → Ca → Ce → La → Mg → Zr → Al → Ti → B → Si → Mn → W → Fe.

(2) Efeitos da desoxidação e fatores de influência dos elementos

1. Afinidade dos elementos com o oxigênio: Quanto mais forte for a afinidade de um elemento com o oxigênio, maior será sua capacidade de desoxidação, o que é mais vantajoso para melhorar o efeito de desoxidação.

2. Propriedades físicas dos elementos desoxidantes: Incluem o ponto de fusão, a gravidade específica, o ponto de ebulição (pressão de vapor) e a solubilidade em líquido de aço.

3. Características físicas dos produtos de desoxidação: O ponto de fusão, a gravidade específica, a tensão interfacial do líquido de aço, a capacidade de formar óxidos compostos líquidos de baixo ponto de fusão com óxidos de alto ponto de fusão, bem como a solubilidade no líquido de aço, todos têm um impacto significativo no efeito da desoxidação.

(3) Características dos elementos desoxidantes e desoxidantes compostos:

1. Desoxidação do alumínio e desoxidação simultânea com alumínio, manganês ou silício e manganês: O alumínio é um forte desoxidante com alta afinidade com o oxigênio, mas sua capacidade de desoxidação é menor do que a do cálcio, magnésio, bário e elementos de terras raras, e maior do que a do silício, manganês, titânio e outros elementos.

2. Características do cálcio e das ligas de cálcio para desoxidação: O cálcio é um desoxidante muito forte e também um elemento dessulfurizador altamente eficaz. No entanto, devido ao seu baixo ponto de ebulição (1484℃), ele existe em estado de vapor no ferro fundido, o que reduz sua eficácia. Além disso, a solubilidade do cálcio no ferro fundido é muito baixa, o que afeta seus efeitos de desoxidação e dessulfurização, reduzindo assim sua eficiência de utilização.

2.3.2 Desoxidação por difusão e desoxidação por precipitação

(1) Desoxidação por difusão

Princípio da desoxidação por difusão: De acordo com a lei de distribuição de energia, durante a desoxidação por difusão, o oxigênio pode se dissolver simultaneamente na escória e no líquido do aço. Em uma determinada temperatura, existe a seguinte relação de equilíbrio:

(FeO) = Fe(l) + [O] (2-9)

Nesse momento, a proporção da concentração de oxigênio entre a escória e o líquido de aço deve ser constante, ou seja

Fatores que afetam a desoxidação por difusão:

a) O efeito da temperatura sobre a eficiência da desoxidação por difusão. O impacto da temperatura sobre o teor máximo de oxigênio saturado no ferro fundido é duplo, e a relação é expressa pela seguinte fórmula: Log [%O]saturado = -6320/T + 2,734 (2-11).

b) A influência das condições de contato da escória de aço.

c) A influência da composição da escória.

(2) Desoxidação por precipitação:

Princípio da desoxidação por precipitação: A desoxidação por precipitação refere-se à adição de elementos ao aço fundido com uma afinidade de oxigênio maior do que a do ferro, com o objetivo de reagir com o oxigênio dissolvido para formar um óxido insolúvel no aço fundido. O óxido é então removido do aço fundido por flutuação, reduzindo assim o teor de oxigênio do aço fundido.

Tipos e faixa de aplicação dos desoxidantes de precipitação: Os desoxidantes de precipitação comumente usados incluem principalmente desoxidantes de metal puro, desoxidantes à base de níquel, desoxidantes à base de alumínio, desoxidantes à base de silício-manganês e desoxidantes à base de silício-cálcio. Com o uso de desoxidantes compostos contendo elementos desoxidantes fortes, como cálcio, bário e magnésio, para reduzir o teor total de oxigênio, é possível obter um aço líquido com teor total de oxigênio ≤0,003%. Somente com o uso combinado de diferentes desoxidantes é possível obter aço altamente puro.

2.3.3 Dessulfurização de ligas

Essencialmente, a dessulfurização da liga envolve a conversão do enxofre dissolvido no ferro fundido em um composto de alto ponto de fusão (como CaS, MgS, CeS) ou em um óxido de sulfeto. A solubilidade desses sulfetos no ferro fundido é muito menor do que a do sulfeto de ferro, garantindo a remoção ou a dispersão do enxofre do aço. Os principais métodos de dessulfurização são o uso de agentes de refino ou a reação de escória.

(1) Dessulfurização do agente de refino

O princípio básico da dessulfurização do agente de refino é usar substâncias com alta afinidade pelo enxofre para formar sulfetos. Esses sulfetos são insolúveis ou têm solubilidade muito baixa no ferro fundido e têm densidade mais baixa do que o líquido da liga. A afinidade relativa de vários elementos com o enxofre pode ser medida pela mudança de energia livre padrão de cada elemento que reage com 1 mol de enxofre. Na mesma temperatura, quanto menor o valor da energia livre padrão, maior a afinidade entre o elemento e o enxofre. A afinidade relativa de diferentes elementos com o enxofre diminui na ordem de La, Ca, Ba, Mg, Mn, Fe.

(2) Dessulfurização por reação de escória

A dessulfuração da reação da escória só pode ser realizada em um forno de indução alcalino. O processo de dessulfurização pode ser dividido nas três etapas a seguir:

1. Os íons de enxofre no metal líquido se difundem para a interface da escória, e os íons de oxigênio na escória se difundem para a interface aço-escória;

2. A seguinte reação ocorre na interface da escória: [S] + (O2-) = (S2-) + [O] (2-12)

3. Os átomos de enxofre gerados se difundem na escória e os átomos de oxigênio gerados se difundem no aço. Empiricamente, a taxa de reação de dessulfurização é determinada pela difusão de íons de enxofre na escória. A constante de equilíbrio K mostrada na Equação 2-12 é uma constante que varia com a temperatura. A capacidade de dessulfurização da escória é normalmente expressa pelo coeficiente de distribuição Ls, que

N_O^2- representa a alcalinidade da escória, e uma alcalinidade mais alta é mais favorável à dessulfurização. Entretanto, quando a alcalinidade é muito alta, a taxa de dessulfurização pode ser limitada devido ao aumento do ponto de fusão e da viscosidade da escória, o que não favorece a dessulfurização. Quando o teor de oxigênio no metal fundido é baixo, o teor de óxido de ferro na escória também é baixo, o que favorece a dessulfurização. Experimentos demonstraram que há uma relação entre o teor de equilíbrio de enxofre e oxigênio no ferro fundido puro a 1600°C: [S]/[O] = 4. O aumento da temperatura é favorável à dessulfurização, não só porque aumenta Ls, mas também porque pode melhorar a fluidez da escória de aço.

2.3.4 Remoção de inclusões não metálicas

A presença de um grande número de metais não metálicos inclusões em aço podem destruir a continuidade da matriz do aço, enfraquecer as forças interatômicas, promover a concentração de tensão e levar à formação de trincas. Eles degradam seriamente as propriedades mecânicas do aço, especialmente reduzindo sua plasticidade, resistência ao impacto, desempenho de fadiga e até mesmo algumas propriedades físicas durante o processamento a frio e a quente de ligas. Esse efeito não está relacionado apenas ao seu conteúdo, mas também à sua forma e tamanho.

O hidrogênio e o nitrogênio residuais nas ligas, além de formarem hidretos e nitretos, também são propensos a causar fenômenos como manchas brancas, fragilização por hidrogênioe envelhecimento. O [H] e o [N] precipitados na forma de gás podem formar poros no lingote de açoe podem facilmente causar defeitos, como bolhas subcutâneas durante a laminação da tira. Os fornos de indução atmosférica usam métodos de flutuação para remover as inclusões. Quando a densidade das inclusões não metálicas é menor do que a do metal fundido, as inclusões flutuam até a interface do metal fundido e da escória por flutuação e são absorvidas pela escória.

A velocidade de subida das inclusões pode ser calculada usando a lei de Stokes.

2.4 Matérias-primas para a fundição em forno de indução

Requisitos para matérias-primas: A composição química dos materiais de entrada deve ser precisa; os materiais metálicos devem estar limpos, secos, livres de óleo e ferrugem; o tamanho do bloco é apropriado; todos os materiais devem ser armazenados em um ambiente seco.

Tipos de matérias-primas: Materiais de aço: ferro-gusa, ferro puro industrial, sucata de aço, materiais de retorno. Materiais de liga: W, Mo, Nb e suas ligas de ferro; Ni Cr, Co e suas ligas; Si, Mn e suas ligas; V, B e suas ligas; Al, Ti e suas ligas; metais de terras raras e suas ligas; aditivos especiais. Materiais de fabricação de escória: cal, fluorita, fragmentos de tijolos de argila.

Cálculo dos ingredientes:

Com base na composição da carga e na composição desejada do produto fundido, calcule o peso de cada tipo de matéria-prima a ser adicionada ao forno.

Como o forno de indução se concentra principalmente nos processos de fusão e aquecimento, os requisitos para o cálculo dos ingredientes são mais precisos. São necessários métodos de cálculo precisos para calcular a taxa de recuperação dos elementos de liga.

2.5 Cadinhos do forno de indução (Lição 4)

2.5.1 Classificação e requisitos de qualidade dos cadinhos para fornos de indução

(1) Classificação dos cadinhos:

Os cadinhos do forno de indução podem ser classificados em três tipos com base em seus materiais: alcalinos, ácidos e neutros. O aglutinante mais amplamente usado é o ácido bórico.

A função do ácido bórico na produção de cadinhos ácidos (areia de sílica) ou alcalinos (magnésia) inclui:

a. Diminuição da temperatura de sinterização.

b. Promover a formação de espinélio.

c. Reduzir a taxa de mudança de volume do cadinho.

Os cadinhos também podem ser classificados com base em seus métodos de fabricação: cadinhos pré-moldados, cadinhos formados in-situ e cadinhos revestidos com tijolos refratários.

(2) Requisitos de qualidade para cadinhos

Os principais requisitos para materiais refratários de cadinhos incluem:

Alta refratariedade e resistência estrutural em altas temperaturas.

Boa resistência ao aquecimento/resfriamento rápido.

Boa resistência à corrosão por escória.

Condutividade térmica tão baixa quanto possível.

Bom desempenho de isolamento.

Sem poluição, inofensivo, com baixa volatilidade, forte resistência à hidratação e baixo custo.

2.5.2 Preparação de cadinhos

(1) Proporção de tamanho de partícula:

Uma proporção razoável de tamanho de partícula pode atingir a melhor densidade de volume para garantir que o cadinho tenha a taxa mínima de porosidade, geralmente em torno de 20%. A faixa de tamanhos de partículas de areia grossa, média e fina depende da capacidade do forno.

A proporção de tamanho de partícula dos cadinhos de magnésia com a mesma capacidade

(2) Métodos de formação

Há dois métodos principais para a formação de um cadinho de forno de indução: formação externa e formação interna. De acordo com a diferença de ligantes, o método de formação interna pode ser dividido em formação úmida e formação seca.

(3) Fabricação de cadinhos

No caso de cadinhos formados externamente, a fabricação se refere à forma como o cadinho é instalado na bobina de indução e como a boca do forno é reparada. Aqui, apresentamos o processo de fabricação de cadinhos formados internamente. O trabalho de preparação antes da produção inclui a preparação e a mistura da areia, a limpeza e a inspeção da bobina de indução, a preparação do molde do cadinho e a preparação das ferramentas e dos equipamentos de formação.

Antes de cada cadinho ser fabricado, a bobina de indução é verificada quanto a vazamentos, infiltração de água, danos ao isolamento e se os fixadores entre a bobina de indução e as voltas são confiáveis e firmes.

O molde refere-se principalmente ao núcleo do cadinho, que é usado para controlar a forma e o volume dentro do cadinho. O núcleo do cadinho do forno de indução é soldado com placas de aço ou feito de grafite.

Máquina de moldagem vibratória com núcleo de grafite

(4) Sinterização em cadinho

Objetivo: Melhorar a compactação, a resistência e a estabilidade do volume do cadinho.

Processo: A superfície de contato do material de areia é aquecida a uma alta temperatura para formar uma rede de sinterização contínua por meio da ligação de fase líquida, que conecta todo o material de areia em um todo.

Métodos de sinterização: sinterização em alta temperatura e sinterização em baixa temperatura.

A. Sinterização em alta temperatura de cadinhos de magnésia (dividida em quatro estágios)

Estágio 1: Temperatura de sinterização de 850°C, principalmente para a reação de desidratação do material de areia e decomposição do carbonato.

Estágio 2: Temperatura de sinterização entre 850-1500°C, os compostos de baixo ponto de fusão começam a derreter, a rede de sinterização começa a se formar e o volume do cadinho diminui significativamente. A taxa de aquecimento pode ser aumentada adequadamente durante esse estágio.

Estágio 3: Temperatura de sinterização entre 1500-1700°C, olivina de magnésio e espinélio de magnésio-alumínio começam a derreter, novos compostos começam a se formar, a rede de sinterização é formada e o volume do cadinho diminui drasticamente, com densidade e resistência significativamente aumentadas. A taxa de aquecimento deve ser reduzida durante esse estágio.

Estágio 4: temperatura de sinterização entre 1700-1850°C, principalmente para promover o crescimento contínuo da forsterita e obter a espessura ideal da camada de sinterização e a estrutura de sinterização da seção transversal do cadinho.

B. Sinterização em baixa temperatura de cadinhos de magnésia (dividida em três estágios)

Estágio 1: temperatura de 850°C, principalmente para a reação de desidratação e decomposição de carbonato, com uma taxa de aquecimento lenta.

Estágio 2: Temperatura entre 850℃-1400℃, a rede de sinterização de compostos de baixo ponto de fusão contendo B2O3 se forma rapidamente e a resistência do cadinho aumenta.

Estágio 3: Temperatura entre 850℃ e 1400℃, para continuar a aumentar a espessura da camada de sinterização do cadinho sinterizado preliminarmente e atingir a estrutura de sinterização ideal.

2.6 Processo de fusão em forno de indução

2.6.1 Processo de fusão

A sucata de aço usada para fusão geralmente contém uma certa quantidade de umidade e contaminação por óleo. Não é seguro adicionar diretamente esse material ao forno, especialmente no caso de uma poça de fusão já formada, pois isso geralmente leva a respingos. Ao mesmo tempo, essa também é uma das principais fontes de oxigênio no produto.

Portanto, algumas fábricas criam sistemas de pré-aquecimento ou secagem para a sucata de aço, usando métodos de aquecimento para remover a umidade e a contaminação por óleo anexadas à sucata de aço para garantir o uso seguro e evitar a introdução de hidrogênio. Além disso, a adição de sucata de aço pré-aquecida pode encurtar o tempo de fusão e reduzir o consumo de energia.

(1) Carregamento

Requisitos de matéria-prima:

a. A composição química do material carregado deve ser precisa;

b. O material metálico deve estar limpo, seco, sem óleo e com pouca ferrugem;

c. Tamanho adequado dos blocos de material;

d. Armazenamento a seco.

Requisitos de carregamento:

A camada inferior do material do forno deve ser compacta, e a camada superior deve ser solta para evitar a formação de pontes na camada superior do material do forno durante o processo de fusão;

Antes de carregar materiais grandes, uma camada de material pequeno e leve deve ser colocada primeiro na parte inferior do forno；

Algumas ligas ou materiais de aço com pontos de fusão mais baixos do que outros devem ser carregados primeiro na parte inferior do forno；

Os materiais com altos pontos de fusão e que não são facilmente oxidados devem ser carregados na parte superior dos materiais em camadas, ou seja, na zona de alta temperatura；

A zona de baixa temperatura na parte superior do cadinho deve ser carregada principalmente com materiais de aço；

Os materiais devem ser carregados livremente para evitar a formação de pontes.

(2) Fusão

A fundição do material do forno está diretamente relacionada à alteração do conteúdo de gás no metal líquido e à recuperação dos elementos de liga, além de afetar os indicadores técnicos, como o tempo de fundição, a vida útil do cadinho e o consumo de energia. O período de fusão é um estágio importante na fundição em forno de indução, com as seguintes tarefas principais:

Para derreter rapidamente o material do forno, dessulfurá-lo, reduzir a perda de elementos de liga e adicionar escória imediatamente para evitar que o metal derretido absorva gás.

(3) Refino

O período de refino é um elo importante na fundição em forno de indução, concluindo tarefas como desoxidação, formação de ligas e ajuste da composição e da temperatura do líquido de aço por meio do refino.

Ajustar a composição da escória para reduzir o teor de elementos de liga na escória.

Desoxidação e liga do líquido do aço.

(4) Rosqueamento e fundição

Quando o aço ou a liga fundida atende aos requisitos de rosqueamento, ele pode ser rosqueado. Para fornos de pequena capacidade, ele pode ser fundido diretamente. Para fornos de maior capacidade, ele pode ser primeiro despejado em uma concha de fundição e depois fundido. Dependendo dos requisitos do produto, ele pode ser fundido em lingotes, peças fundidas ou eletrodos consumíveis. O processo de rosqueamento também requer a seleção do método de fundição com base na qualidade e no fluxo do processo do produto, como o uso de fundição a vácuo ou sem vácuo e o uso de vazamento superior ou inferior.

Em geral, as ligas de aquecimento elétrico e as ligas de alta temperatura precisam de mais refinamento, por isso são geralmente fundidas em eletrodos consumíveis, enquanto as ligas de precisão são geralmente fundidas a vácuo. A fundição a vácuo pode evitar a oxidação secundária e a reabsorção do líquido do aço durante o processo de fundição. processo de fundiçãoe pode remover efetivamente o hidrogênio e parte do nitrogênio, obtendo assim um aço com menos impurezas e maior pureza.

2.7 Controle de composição na fundição em forno de indução (Lição 5)

A composição química tem um impacto significativo na qualidade e no desempenho do aço. Para alguns tipos de açoEm um processo de produção de aço em forno, a composição química precisa ser controlada dentro de uma faixa mais rigorosa, além de atender às especificações técnicas, a fim de atender aos requisitos mais elevados de qualidade e desempenho. O controle da composição química ocorre em todos os processos de fabricação de aço em fornos e está intimamente relacionado à perda de elementos de liga, às propriedades físico-químicas, ao estado físico-químico da escória, à temperatura do líquido do aço, ao método de fundição etc.

(1) Principais fatores que afetam a taxa de recuperação de elementos de liga

Propriedades físico-químicas dos próprios elementos de liga.

Tempo de fundição. Quanto mais longo for o tempo de fusão, maior será a perda de C e Si, e maior será a perda de elementos de liga quando forem adicionados elementos ativos e o tempo de batimento for maior.

Temperatura de fundição. Com o aumento da temperatura, a energia livre dos elementos de liga no aço diminui, o que favorece a dissolução dos elementos de liga. Entretanto, uma temperatura muito alta exacerba a perda de elementos de liga.

Sistema de escória. O estado físico-químico da escória tem um impacto significativo sobre a taxa de recuperação dos elementos de liga. Especialmente a viscosidade e a alcalinidade da escória têm uma influência maior. Quanto maior o teor de FeO e SiO2 na escória, maior a perda de elementos.

Perda volátil de elementos. Deve-se prestar atenção à perda volátil causada pelos óxidos de W, Mo e Mn.

Conteúdo de [O], [N] e [S] no líquido do aço. Quanto maior o teor de [O], [N] e [S] no aço, maior será a perda de elementos. O líquido do aço deve ser totalmente desoxidado, dessulfurizado e desnitrificado antes da adição de elementos de liga.

Tempo, tamanho do bloco e método de adição de elementos de liga. Quanto mais cedo os elementos ativos forem adicionados, maior será a perda. A taxa de recuperação de elementos de liga é maior quando se adicionam elementos de liga em forma de bloco do que quando se adicionam elementos em pó. Há também uma pequena diferença na taxa de recuperação entre a adição ao forno e a adição à panela.

(2) Métodos para melhorar a taxa de recuperação de elementos de liga

1. Método de controle para elementos de baixa perda: Os elementos de liga com uma taxa de perda inferior a 5% em condições normais de fundição são chamados de elementos de baixa perda, incluindo Ni, Co, Mo, W, Cu, etc. Os elementos de baixa perda geralmente podem ser adicionados junto com a carga do forno, e o cobre eletrolítico deve ser adicionado no final da fusão devido ao seu baixo ponto de fusão. A perda de Mo e W durante a fundição se deve principalmente à perda volátil de seus óxidos.

Além disso, as ligas que contêm tungstênio não podem ser fundidas em um cadinho novo, pois isso levará à perda de tungstênio e a uma composição química não conforme devido à absorção de tungstênio pelo cadinho. Os materiais que contêm tungstênio também podem causar o "fenômeno do fundo", em que uma grande quantidade de material contendo tungstênio se deposita no fundo do cadinho e não pode derreter por muito tempo. Para reduzir a perda de W e Mo, deve-se garantir fusão e agitação suficientes durante a fundição.

2. Método de controle para elementos de perda média: Os elementos de perda média referem-se a elementos com uma taxa de perda entre 5% e 20%, incluindo Cr, V, Si, Mn, Nb, etc., e sua adição depende da situação no forno. Em geral, o Nb é adicionado no final do refino e suficientemente agitado. Ao fundir aço contendo Cr, deve-se tomar cuidado para evitar que o cromo se oxide na escória. Se o teor de cromo não for alto, é melhor adicioná-lo após a desoxidação completa. Ao adicionar Mn para eliminar o efeito de fragilização térmica do FeS, deve-se controlar o Mn/S>8.

3. Método de controle para elementos de alta perda: Os elementos de liga, como Ti, Al, Re, Zr etc., têm uma taxa de perda superior a 20% em condições normais de fundição e são elementos de alta perda. Em geral, eles devem ser adicionados após a desoxidação final. O método de adição depende do sistema de desoxidação.

Além disso, o método e o momento de adicionar elementos de liga devem ser considerados de forma abrangente para controlar a taxa de recuperação dos elementos de liga. Por exemplo, ao fundir ligas de alta temperatura, é necessário adicionar Ti. Se o Ti for adicionado na forma de esponja de titânio, mesmo que seja adicionado após a desoxidação final, a taxa de recuperação será de apenas cerca de 70%. No entanto, se o titânio for transformado em uma liga intermediária de Ni-Ti e adicionado, a taxa de recuperação pode chegar a mais de 95%.

3. Fusão por indução a vácuo (VIM)

3.1 Visão geral

A fusão por indução a vácuo (VIM) é um método de fusão de materiais sob condições de vácuo usando indução eletromagnética para gerar correntes parasitas para aquecimento em condutores de metal. A nova tecnologia de desgaseificação e vazamento por indução a vácuo (VIDP) tem como vantagens o pequeno volume de fusão, o curto tempo de bombeamento a vácuo e o ciclo de fusão, o fácil controle de temperatura e pressão, a fácil recuperação de elementos voláteis, o controle preciso da composição etc. Desde seu surgimento em 1988, ela foi listada como um objeto de seleção fundamental para fornos de indução a vácuo de larga escala em países desenvolvidos.

3.1.1 Equipamento do forno de indução a vácuo

O forno de indução a vácuo é um equipamento usado para produzir superligas. De acordo com o modo de operação, ele pode ser dividido em fornos do tipo batelada e fornos de operação semicontínua. O forno de indução a vácuo pode ser usado para refinar superligas e também para fundir ligas especiais. O equipamento de suporte do forno de indução a vácuo pode ser dividido em quatro partes: fonte de alimentação e controle elétrico, corpo do forno, sistema de vácuo e sistema de resfriamento de água, conforme mostrado nas Figuras 3-1 e 3-2.

3.1.2 Fonte de alimentação do forno de indução a vácuo

A fonte de alimentação do forno de indução a vácuo tem os seguintes requisitos:

(1) O potencial terminal do indutor deve ser baixo. A tensão operacional usada pelo forno de indução a vácuo é menor do que a do forno de indução de média frequência, geralmente abaixo de 750 V, para evitar a descarga de gás sob vácuo causada por tensão muito alta e danos ao isolamento, causando acidentes.

(2) Impedir que harmônicos de alta ordem entrem no circuito de carga. Ao usar um circuito de conversão de frequência de tiristor, os harmônicos de alta ordem frequentemente entram no circuito de carga, fazendo com que o indutor aumente a tensão na carcaça do forno e cause descarga. Portanto, é necessário adicionar um transformador de isolamento de média frequência na extremidade de saída da fonte de alimentação para interceptar a entrada de harmônicos de alta ordem.

(3) A corrente do circuito de oscilação deve ser grande;

1 - Câmara de fusão por indução a vácuo; 2 - válvula de desbaste; 3 - válvula de alto vácuo; 4 - bomba mecânica; 5 - bomba de difusão; 6 - válvula

3.1.3 Estrutura do corpo do forno do forno de indução a vácuo

A estrutura convencional do forno de indução a vácuo pode ser dividida em um forno vertical de câmara única e um forno horizontal de duas câmaras, de acordo com a forma de abertura e fechamento do corpo do forno. O corpo do forno de indução a vácuo consiste principalmente em uma carcaça do forno, indutor, cadinho, mecanismo de inclinação, sistema de fundição, sistema de resfriamento de água e dispositivo de fornecimento de energia. A estrutura do corpo do forno inclui dois tipos: tipo de fundição rotativa do cadinho e tipo de fundição inclinada do corpo do forno.

O corpo do forno de indução a vácuo é equipado com acessórios como dispositivos de alimentação, agitação, medição de temperatura e amostragem. A maior característica do forno de indução a vácuo é que os processos de fundição e fundição são realizados dentro da carcaça do forno. A carcaça do forno é dividida em uma carcaça de forno fixa e uma carcaça de forno móvel. A carcaça do forno deve suportar a forte pressão formada pelo vácuo interno e ter resistência estrutural suficiente.

A carcaça do forno de pequenos fornos de indução a vácuo adota uma estrutura de camada dupla, com um revestimento de aço inoxidável não magnético. chapa de aço para a camada interna e uma placa de aço comum soldada à camada externa, com água de resfriamento fluindo entre elas. Os grandes fornos de indução a vácuo usam uma estrutura de camada dupla em algumas partes, com uma placa de aço de camada única resfriada por tubos de água na parte externa. A superfície de contato entre a parte móvel e a parte fixa da carcaça do forno deve ser vedada com peças de borracha a vácuo. O princípio do sistema de vácuo é mostrado na Figura 3-3.

3.1.4 Características da fusão em forno de indução a vácuo

(1) Baixo teor de gás e alta pureza do produto;

(2) Controle preciso da composição do produto;

(3) Forte adaptabilidade às matérias-primas;

(4) Pode ser fundido em lingotes sob condições de vácuo, bem como em peças fundidas de formato complexo.

Entretanto, também há alguns problemas com a fusão em forno de indução a vácuo. Durante o processo de fusão, o metal fundido fica em contato com o material refratário do cadinho por um longo período, o que inevitavelmente causa a contaminação do metal pelo material refratário. Em segundo lugar, as condições de solidificação do metal derretido e o método geral de fundição não são diferentes, portanto, ainda há defeitos, como folga e segregação.

Tabela 3-1 Conteúdo de gás no aço SAE4340 produzido por diferentes métodos de fusão

Tabela 3-2 Conteúdo de gás no aço SAE4340 produzido por diferentes métodos de fusão

3.2 Base teórica da fusão a vácuo

(1) Desoxidação de carbono sob vácuo

A capacidade de desoxidação do carbono sob vácuo aumenta significativamente com o aumento do grau de vácuo. A 1600°C, quando o grau de vácuo é de 10-3 atm, a capacidade de desoxidação do carbono excede a do alumínio; quando o grau de vácuo do sistema é de 10-5 atm, a capacidade de desoxidação do carbono é 105 vezes maior do que em condições atmosféricas. A desoxidação de carbono é utilizada principalmente sob vácuo.

(2) Dissolução de gás no aço e seus fatores de influência

A solubilidade das moléculas de gás diatômico no metal fundido é proporcional à raiz quadrada da pressão do gás na atmosfera. Portanto, quanto maior o grau de vácuo, menor a solubilidade do gás no metal.

A 1600 ℃ e PH2=100Kpa, o efeito dos elementos de liga na solubilidade do nitrogênio no ferro fundido, bem como o efeito na solubilidade do hidrogênio no ferro fundido a 1600 ℃ e PN2=100Kpa, devem ser levados em consideração.

3.3 Processo de fundição em forno de indução a vácuo

O ciclo completo de fundição em forno de indução a vácuo pode ser dividido em vários estágios principais, incluindo carregamento, fusão, refino, liga e desoxidação, vazamento etc.

3.3.1 Carregamento

(1) Requisitos de matéria-prima

O material de carga usado no forno de indução a vácuo é, em geral, matéria-prima limpa que foi submetida a um tratamento superficial. despojado e desengordurado, com a maioria dos elementos de liga adicionados na forma de metal puro. Materiais de carga úmidos não devem ser usados durante o carregamento para evitar afetar a qualidade do produto acabado e causar respingos durante a fusão. Durante o carregamento, a parte superior do material de carga deve estar solta, enquanto a parte inferior deve estar apertada para evitar a "ponte" causada pelo fato de o material de carga superior ficar preso ou soldado durante o processo de fusão. Uma camada de material leve e pequeno deve ser colocada no fundo do cadinho antes de carregar materiais de grande porte. Os materiais de carga de alto ponto de fusão e de difícil oxidação devem ser carregados na zona de alta temperatura nas partes média e inferior do cadinho. Alguns elementos ativos, como Al, Ti, Mn, B e terras raras, podem ser carregados em alimentadores separados.

(2) Requisitos de cobrança

I. A camada inferior do material de carga deve ser compacta, enquanto a camada superior deve ser solta para evitar a formação de pontes na camada superior do material de carga durante o processo de fusão; uma camada de material leve e pequeno deve ser colocada no fundo do cadinho antes de carregar materiais de grande porte.

II. Os materiais de carga de alto ponto de fusão e de difícil oxidação devem ser carregados na zona de alta temperatura nas partes média e inferior do cadinho.

III. Materiais de carga facilmente oxidáveis devem ser adicionados em boas condições para a desoxidação do metal.

IV. Para reduzir a perda de elementos voláteis, pode-se adicionar liga ao metal fundido na forma de uma liga ou introduzir gás inerte na câmara de fusão para manter uma determinada pressão no forno.

3.3.2 Fase de fusão

Em um forno a vácuo que opera de forma intermitente, após o carregamento do material de carga, a câmara de vácuo é fechada e o vácuo é bombeado para fora. Quando a pressão na câmara de vácuo atinge 0,67 Pa (5×10^-3 mmHg), a energia pode ser ligada para aquecer o material de carga. Para fornos de produção contínua com materiais de carga carregados sob condições de vácuo, a energia pode ser fornecida para entrar na fase de fusão assim que a carga for concluída. Considerando o efeito de desgaseificação do material de carga durante a fusão, a entrada de potência máxima não é necessária durante o estágio inicial de fusão. Em vez disso, a potência deve ser aumentada gradualmente de acordo com a situação de desgaseificação do material de carga para evitar que a desgaseificação excessiva cause respingos. Quando ocorrer ebulição violenta ou respingos, a potência de entrada pode ser reduzida ou a pressão do forno pode ser ligeiramente aumentada para controle. O sinal de uma piscina fundida limpa é que a superfície da piscina fundida está calma, sem bolhas escapando. Em seguida, pode-se prosseguir para a fase de refino.

3.3.3 Fase de refino

As principais tarefas da fase de refino são melhorar a pureza do metal líquido e realizar a liga. Ao mesmo tempo, a temperatura do metal fundido e a liga precisam ser ajustadas. O objetivo da fase de refino é reduzir o teor de gás, remover as impurezas prejudiciais e qualificar a composição do aço. A temperatura da fase de refino deve ser controlada acima de 100 ℃ do ponto de fusão do metal fundido. O grau de vácuo para grandes fornos de indução a vácuo é geralmente entre 15-150Pa; para fornos pequenos, é entre 0,1-1Pa. O tempo de refino é de 15 a 25 minutos para um forno de 200 kg e de 60 a 100 minutos para cerca de uma tonelada.

3.3.4 Liga

A liga refere-se ao ajuste da composição, que é feito sob boas condições de desoxidação e desgaseificação por meio da adição de elementos de liga. O tipo e a quantidade de elementos adicionados são determinados pelos requisitos das propriedades da liga, e a ordem e as condições de adição são determinadas pela afinidade e volatilidade dos elementos de liga com o oxigênio. Após a adição de cada elemento, a potência deve ser aumentada e agitada por um determinado período de tempo para acelerar a fusão e garantir uma distribuição uniforme.

3.3.5 Fundição e vazamento de aço

Após a fase de liga, quando o líquido metálico no cadinho atingir a composição e a temperatura desejadas, e o retidão Se a câmara de vácuo atender aos requisitos técnicos, o aço poderá ser fundido. Ao despejar na tampa de isolamento, o vácuo é quebrado imediatamente e o agente de aquecimento e o agente de isolamento são adicionados para evitar que a porosidade de encolhimento entre no corpo do lingote. Para ligas de alta temperatura com composições complexas, elas devem ser deixadas no vácuo por 15 a 20 minutos após a fundição antes de quebrar o vácuo. Para fornos de indução a vácuo contínuos de grande porte, pode-se permitir que os lingotes esfriem sob vácuo.

3.4 A volatilidade dos elementos e o controle da composição

Todos os metais (inclusive alguns não-metais) têm uma pressão de vapor de equilíbrio Poi, que depende das propriedades físicas do metal, da forma do estado gasoso (átomo único, molécula diatômica ou multiatômica) e da temperatura. A relação entre a pressão de vapor Po da substância i e a temperatura é a seguinte: (P0 é a pressão padrão e não precisa de modificação)

             lg(Po_i/133,3)=AT^-1+BlgT+TC×10^-3+D (3-1)

em que a unidade de Poi é Pa. Os parâmetros A, B, C, D e outras propriedades físicas relevantes dos elementos relacionados à metalurgia do aço estão listados na Tabela 3-5. Quanto maior a pressão de vapor de um elemento, maior a probabilidade de ele se volatilizar durante a fundição a vácuo. De acordo com os dados da Tabela 3-5, a ordem decrescente de Poi para cada elemento a 1873K pode ser calculada da seguinte forma: Zn, Mg, Ca, Sb, Bi, Pb, Mn, Al, Sn, Cu, Cr, Fe, Co, Ni, Y, Ce, Sl, La, Ti, V, B, Zr, Mo, Nb, W, Ta.

A pressão de vapor Pi do componente i em uma liga ou metal bruto não é igual à pressão de vapor Poi da substância pura i porque a concentração de i na liga é necessariamente menor do que na substância pura. Além disso, a interação entre as moléculas de i e os outros elementos componentes da liga não é igual à interação entre as moléculas de i. A fórmula para calcular Pi é:

P_i= a_i .P^o_i，= r _i  .N _i .P^o_i                          (3-2)

Na fórmula:

ai: atividade do componente i na liga

ri: coeficiente de atividade de i

Ni: concentração fracionária molar de i

Nas ligas ferrosas, os elementos de liga podem ser divididos em três categorias: não voláteis, facilmente voláteis e elementos de impureza que podem ser removidos por volatilização. Os elementos não voláteis incluem Ti, V, B, Zr, Mc (Hf), Nb, Ta e W. Os elementos facilmente voláteis incluem Mn, Al, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Ca e Mg. Sob condições de fundição a vácuo, esses elementos se volatilizarão em graus variados. O aço e as ligas contêm alguns traços de elementos metálicos que têm um impacto significativo no desempenho do aço e das ligas. Eles são difíceis de remover por métodos químicos convencionais. Se esses elementos tiverem alta pressão de vapor, poderão ser removidos por volatilização durante a fundição a vácuo. Esses elementos metálicos incluem Sn, Pb, Bi, Sb e Zn.

Oligoelementos, como magnésio, zircônio, boro etc., são usados para microligas; impurezas como Pb, Bi, As, Sb e Sn são prejudiciais ao aço e às ligas. O magnésio puro tem alta pressão de vapor nas temperaturas de fusão, baixa densidade e forte afinidade com o oxigênio, o que dificulta a formação de ligas de magnésio.

Durante a fundição a vácuo, o magnésio é adicionado na forma de ligas binárias ou ternárias durante o último estágio da fusão. Para melhorar a taxa de recuperação de magnésio, os seguintes pontos devem ser observados ao adicionar magnésio:

(1) A temperatura do aço fundido deve ser cerca de 20°C mais baixa do que a temperatura de vazamento antes da adição do magnésio.

(2) O tempo de retenção deve ser controlado após a adição de magnésio, geralmente adicionado de 1 a 5 minutos antes da batida.

(3) O gás argônio deve ser introduzido no forno antes da adição do magnésio para garantir uma alta taxa de recuperação do magnésio.

Os traços de elementos nocivos no aço e nas ligas geralmente são impurezas de baixo ponto de fusão acumuladas pelo uso repetido de sucata ou contidas em algum minério de ferro. O refino a vácuo é o método mais eficaz para remover esses elementos nocivos de impureza, pois eles geralmente têm alta pressão de vapor. Devido às diferentes pressões de vapor e à influência variável de outros elementos componentes, as taxas de volatilização desses elementos são muito diferentes.

3.5 Interação entre fundidos de metal e materiais refratários sob vácuo

Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de fornos de indução, a capacidade dos fornos de indução sem núcleo tem aumentado, e os fornos de indução tradicionais e a vácuo que foram colocados em produção atingiram 60 t e 40 t, respectivamente. Na década de 1960, os Estados Unidos fabricaram sucessivamente fornos VIM (Vacuum Induction Melting Furnace) com capacidades de 15 t, 30 t e até 60 t. O aumento da capacidade dos fornos elétricos também aumenta de forma correspondente a demanda por materiais refratários de alta pureza com propriedades físicas especiais.

As condições operacionais dos materiais refratários usados na fundição a vácuo são geralmente mais rigorosas do que as usadas na fundição convencional. Isso ocorre porque muitos materiais refratários se decompõem de acordo com sua composição e reagem com o metal fundido sob condições de vácuo. Por um lado, isso contamina o metal fundido e, por outro, aumenta a corrosão do material refratário. Isso é particularmente evidente em materiais refratários que contêm grandes quantidades de sílica e óxido de ferro.

As rachaduras por contração que ocorrem nos materiais refratários usados na fundição a vácuo são mais graves do que as da fundição convencional, especialmente em fornos de indução sem núcleo de alta capacidade (>2,5 t). Portanto, os materiais refratários para fornos de indução em larga escala devem ter as seguintes características:

(1) Expansão irreversível, não ocorrerão rachaduras de retração;

(2) Alta pureza;

(3) Boa estabilidade em um ambiente a vácuo;

(4) Capaz de suportar a erosão de metal fundido e escória.

Os materiais refratários com essas características incluem magnésia-alumina-espinélio e alumina de alta pureza. Nos últimos anos, a dosagem desses materiais refratários, bem como os materiais de reparo e os aglutinantes correspondentes, desenvolveram-se significativamente.

A magnésia e a alumina reagem para formar magnésia-alumina-espinélio de alta pureza com baixa densidade. O revestimento feito de magnésia-alumina-espinélio pode ser usado a uma temperatura de 1647°C e, após ser resfriado à temperatura ambiente ou preenchido com materiais frios, pode ser aquecido e usado a 1647°C sem rachaduras após dezenas de ciclos. De acordo com relatórios relevantes, o revestimento de um forno de indução de capacidade nominal de 6 t é feito com alumina 95%. Na produção de aço inoxidável das séries 300 e 400, o revestimento do forno pode ser usado continuamente por 150 fornos sem qualquer tratamento.

3.6 Aplicação de novas tecnologias na fundição em forno de indução

Nos quase 80 anos desde que o forno de indução foi inventado, houve avanços significativos tanto nos equipamentos quanto nos processos. Como resultado, foram adotadas medidas para melhorar a fundição em forno de indução em termos de volume de produção, produtividade, qualidade e variedade de produtos. Essas medidas incluem o tratamento de ligas com magnésio, desfosforização com baixo potencial de oxigênio, sopro de argônio, injeção de pó, gás misto de hidrogênio e oxigênio descarburaçãoe refino de hidrogênio de aço líquido.

3.6.1 Tratamento de ligas de magnésio

As ligas à base de níquel ou ferro de alta temperatura, bem como as ligas de precisão que contêm altos níveis de elementos de liga, alguns dos quais são mais reativos do que outros, como alumínio e titânio, não podem garantir propriedades satisfatórias, como plasticidade térmica, soldabilidadeO magnésio é um metal de alta qualidade, resistência a altas temperaturas e resistência à fluência, mesmo quando fundido sob condições de vácuo. Portanto, uma certa quantidade de magnésio é adicionada no final do refinamento. O magnésio residual no metal pode melhorar significativamente essas propriedades.

As propriedades físico-químicas específicas do magnésio determinam que é difícil controlar o método de adição e a taxa de recuperação durante o processo de adição de magnésio. Para resolver esse problema, as ligas de magnésio, como Ni-Mg e Ni-Mg-Me, são usadas para reduzir a pressão de vapor do magnésio e aumentar seu ponto de fusão e ponto de ebulição. O processo de operação para o tratamento de magnésio é o seguinte:

(1) Após o término do período de refino, se B e Ce precisarem ser adicionados, ajuste a temperatura da massa fundida de modo que ela fique 20 ℃ mais baixa do que a temperatura de batida após a adição de B e Ce;

(2) Encha a câmara de vácuo com gás argônio de alta pureza a uma pressão de 13-27kPa;

(3) Adicione magnésio na forma de uma liga intermediária em forma de bloco contendo magnésio ao metal fundido;

(4) Imediatamente, mexa vigorosamente após adicionar magnésio e evite mexer por muito tempo para reduzir a perda de magnésio. O aço deve ser batido dentro de 1 a 5 minutos após a adição do magnésio.

3.6.2 Desfosforização com baixo potencial de oxigênio

Ao fundir ligas de aço, especialmente ao usar materiais de retorno como carga do forno, é necessário controlar o potencial de oxigênio do gás do forno e da escória durante o processo de fusão e refino para reduzir a perda de elementos de liga. Portanto, os métodos oxidantes não podem ser usados para desfosforizar durante o processo de fundição. Quando o aço com baixo teor de fósforo é necessário, somente as matérias-primas com teor de fósforo inferior aos requisitos de especificação podem ser usadas, o que aumenta os custos de produção. Para resolver o problema da desfosforização durante a fundição de materiais de retorno de aço de alta liga, a teoria e a prática da desfosforização de baixo potencial de oxigênio foram propostas nos últimos anos e também foram aplicadas na fundição em forno de indução.

O cálcio e o fósforo no aço podem reagir sob as condições de desoxidação e dessulfurização suficientes do líquido do aço da seguinte forma:

3Ca+2[P] = Ca₃P₂ (3-3)

O produto formado é o fosfeto de cálcio. O cálcio envolvido na reação pode ser cálcio metálico, ligas de cálcio (como ligas de silício-cálcio) ou compostos de cálcio (como CaC2). Devido ao baixo ponto de fusão (839 ℃), à alta pressão de vapor (P = 1,775×105 Pa a 1600 ℃) e à baixa solubilidade do cálcio metálico no líquido do aço, ele evapora rapidamente na forma de vapor após ser adicionado ao líquido do aço e flutua para cima e para fora na forma de bolhas. Durante o processo de flutuação, o vapor de cálcio pode reagir com o fósforo no aço para gerar Ca3P2, mas a taxa de utilização do cálcio é muito baixa. Em vez disso, é comum o uso de ligas ou compostos de cálcio.

O Ca₃P₂ gerado pela reação é um composto insolúvel no líquido do aço, com ponto de fusão de 1320 ℃ e densidade de 3,3 g/cm³. Ele flutua na forma líquida e entra na escória na temperatura de fabricação do aço. No entanto, o fosfeto de cálcio não é estável sob as condições de fabricação de aço e é um forte agente redutor. Quando o potencial de oxigênio da atmosfera do forno for alto e houver óxidos facilmente redutíveis na escória, ocorrerá a seguinte reação:

(Ca₃P₂) + 4O₂  = 3 (CaO)+ (P₂O₅) ； （3-4）

 y (Ca₃P₂) + 8 (Me_xO_y) = 3y (CaO) + y (P₂O₅) + 8x [Me] （3-5）

Quando há vapor de água no gás do forno:

  (Ca₃P₂)十3H₂O= 3 (CaO) + 2PH3 ↑; （3-6）

O PH3 é um gás que retira o fósforo com o gás do forno quando há vapor de água, mas esse gás é tóxico, e devem ser tomadas precauções para evitar que essa reação ocorra durante a operação. Medidas especiais devem ser tomadas para garantir a segurança no processamento de escória de forno contendo Ca₃P₂. Quando a escória tem uma alta alcalinidade, CaO.P₂O₅ com maior estabilidade serão produzidos.

3 (CaO) + (P₂ O₅)= (3 CaO^.P₂ O₅) （3-7）

No entanto, tanto o cálcio silício quanto o CaC₂ usados para desfosforização com baixo potencial de oxigênio têm fortes propriedades redutoras. Portanto, quando há um excesso de cálcio silício ou CaC₂ na escória, o fosfato de cálcio se decomporá e o P₂O₅ será reduzido, fazendo com que o fósforo retorne ao aço e reduzindo a eficiência da desfosforização sob baixo potencial de oxigênio.

Na operação real, a manutenção do baixo potencial de oxigênio do aço e a remoção oportuna da escória contendo fósforo são as chaves para melhorar a eficiência da desfosforização do cálcio. Ao adicionar cálcio, devem ser tomadas precauções para evitar a gaseificação violenta do cálcio, que pode causar respingos. Quando o CaC₂ é usado como agente desfosforizante, é necessário cobrir o cadinho e preenchê-lo com um gás redutor ou inerte para evitar a oxidação do CaC₂ na escória. Na fundição de Cr₁₂No aço de molde MoV, a quantidade de pó usada é de 10 a 15 kg/t, e a taxa de desfosforização é de aproximadamente 0,005%. Após o término da pulverização do pó, remova a escória imediatamente e faça uma nova escória.

3.6.3 Sopro de argônio

O sopro de argônio na panela já é uma tecnologia madura na fundição de aço comum e aço de baixa liga. Ele se baseia no afloramento de bolhas de argônio para agitar o aço derretido, promover a reação carbono-oxigênio, aderir e promover a colisão, o crescimento e o afloramento de inclusões na superfície da bolha, e também pode remover o gás sob determinadas condições.

Quando a pureza do argônio é alta e muito seca, o sopro de argônio pode remover alguns gases, especialmente o hidrogênio. Quando o tempo de sopro do argônio é de cerca de 20 minutos, a taxa de desidrogenação pode atingir cerca de 50%. Os oligoelementos nocivos com alta pressão de vapor na temperatura de fabricação do aço, como chumbo e arsênico, também podem ser removidos em diferentes graus por meio do sopro de argônio. De acordo com relatórios, o sopro de argônio por 20 minutos pode remover 70-80% de chumbo no aço, mas a taxa de remoção de arsênico é de apenas 10%.

3.6.4 Injeção de pó

A metalurgia de injeção de pó é uma nova tecnologia desenvolvida recentemente para refinar o aço fundido. A injeção de pó em panela tem sido amplamente utilizada na produção convencional de aço, e diferentes agentes em pó podem ser usados para concluir tarefas metalúrgicas, como desfosforização, dessulfurização, desoxidação, controle da morfologia de inclusões, liga ou adição de carbono. A tecnologia de injeção de pó é essencialmente uma tecnologia que adiciona materiais sólidos ao aço fundido.

Como o pó é transportado pelo gás de arraste, o gás de arraste que entra ao mesmo tempo que o pó causará agitação da fusão, melhorando assim as condições cinéticas das reações metalúrgicas. Portanto, a injeção de pó é mais eficaz do que a tecnologia tradicional de adição de material sólido. Obviamente, essa técnica de adição também pode ser usada para fusão em fornos de indução.

Na fusão do forno de indução, pode ser soprado um agente desfosforizante (liga de cálcio ou composto de cálcio) ou um agente dessulfurizante. O agente dessulfurizador comumente usado é principalmente o pó à base de cal (w(CaO) 60-80%, w(CaF₂) 20-40%). Esse agente dessulfurizador é fácil de obter, barato e não afeta o controle da composição do aço fundido, e a taxa de dessulfurização é de cerca de 30-50%.

Outro agente dessulfurizador amplamente utilizado é o Ca-Si-CaF₂ (onde w(CaF₂) é de 20-30%), a maior parte do silício nesse agente dessulfurizador será absorvida pelo aço fundido, o que pode aumentar o teor de silício, e a taxa de dessulfurização pode chegar a 40-80%. Para aços que não requerem adição de carbono, um bom efeito de dessulfurização também pode ser obtido com a adição de uma certa proporção de CaC2 aos agentes dessulfurizantes à base de cal.

O gás argônio engarrafado é comumente usado como gás de arraste para injeção de pó. O nitrogênio também pode ser usado para tipos de aço que não exigem teor de nitrogênio, o que pode reduzir os custos. A pressão de trabalho é geralmente de 0,2 a 0,3 MPa. Sob a premissa de garantir o fornecimento uniforme de pó, a pressão de trabalho deve ser minimizada o máximo possível. Um tubo de aço com material refratário externo é usado como pistola de injeção e é inserido em uma profundidade igual à profundidade da poça de fusão menos a profundidade de penetração.

3.6.5 Descarbonetação com argônio-oxigênio

A United Carbide Corporation, dos Estados Unidos, estudou a relação de equilíbrio do sistema quaternário Fe-Cr-C-O em um forno de indução e descobriu que há uma relação correspondente entre o teor de carbono e cromo dissolvido no ferro e a pressão parcial de monóxido de carbono (PCO) na fase gasosa com a temperatura. Sob determinado teor de cromo, o teor de carbono de equilíbrio diminui com o aumento da temperatura ou com a diminuição da PCO na fase gasosa. Portanto, desde que a PCO em contato com o aço fundido possa ser reduzida, o carbono no aço fundido pode ser reduzido a um nível baixo a uma temperatura não muito alta, e o cromo não sofrerá muita perda por oxidação.

Com base nisso, foi proposto o método AOD de diluição da pressão parcial de PCO com argônio, ou seja, descarbonetação por sopro de gás misto argônio-oxigênio. Esse método supera as desvantagens de alta temperatura, grande perda de cromo, aumento da teor de carbono de eletrodos de grafite, baixa vida útil do revestimento do forno e grande consumo de ferro cromo com baixo teor de carbono ou cromo metálico na fundição de aço inoxidável com cromo por sopro de oxigênio em fornos a arco, e foi rapidamente desenvolvido e amplamente utilizado.

Como o método AOD foi desenvolvido no forno de indução, o método de descarbonetação com argônio-oxigênio também deve ser aplicável à fusão em forno de indução. Ao fundir aço inoxidável com cromo ou níquel-cromo em um forno de indução, pode-se soprar uma mistura de gás argônio-oxigênio para remover o carbono do aço.

4. Refusão elétrica de escória

4.1 Equipamento de refusão de escória elétrica e princípios básicos

A refusão de escória elétrica (ESR) é um método de refino secundário amplamente utilizado para a produção de aço e ligas de alta qualidade. Esse processo utiliza o calor gerado pela resistência elétrica da escória para fundir novamente o eletrodo consumível em um cristalizador resfriado a água. Em comparação com a fusão a arco de eletrodo consumível a vácuo, a ESR não exige um sistema de vácuo e geralmente usa uma fonte de energia CA, o que a torna um processo mais simples e mais fácil de operar com lingotes compactos e de alta qualidade.

4.1.1 Equipamento elétrico de refusão de escória

Em comparação com a fusão a arco com eletrodo consumível a vácuo, o equipamento de refusão de escória elétrica é relativamente simples e consiste em vários componentes, incluindo um transformador de potência e um dispositivo de curto-circuito, um sistema de elevação de eletrodo consumível, um cristalizador com um tanque de água de fundo, um sistema de medição e controle e um sistema de abastecimento e remoção de poeira. Aqui, apresentaremos apenas o transformador de potência, o cristalizador, o tanque de água de fundo e vários tipos de fornos elétricos de escória.

(1) Transformador de potência

A característica exclusiva do processo de refusão de escória elétrica é o uso de fontes de energia de alta corrente e baixa tensão CA ou CC. Portanto, é necessário escolher um transformador adequado para converter a entrada de alta tensão em saída de baixa tensão (40-100 V) que corresponda à capacidade do forno elétrico de escória.

(2) Cristalizador

O cristalizador é o componente mais importante do forno elétrico de escória. Durante o processo ESR, o eletrodo consumível derrete dentro do cristalizador, e o metal líquido é resfriado à força e cristalizado para formar um lingote ou fundição de metal. O cristalizador é tanto a câmara de fusão do forno quanto o molde para a solidificação do metal. Ele tem formato e estrutura complexos, e há três tipos principais: cristalizador do tipo lingote, cristalizador do tipo deslizante e cristalizador do tipo combinado (conforme mostrado na Figura 4-4).

1-Eletrodo consumível; 2-Piscina de escória; 3-Piscina de fusão de metal; 4-Lingote de metal;

1-3 Cristalizador no modo de lingote;

4-5 Cristalizador do tipo deslizante; 5-Cristalizador; 6-Caixa d'água inferior

6-7 Tipo destacável; 8-Tipo móvel

4.1.2 Princípios básicos da refusão por arco elétrico

(1) Princípio básico da refusão

Durante o processo de refusão a arco elétrico, a corrente passa pelo eletrodo consumível, pela escória, pela poça de metal fundido, pelo lingote de metal solidificado e pela caixa d'água inferior e, por fim, flui pelo curto-circuito, pelo transformador etc., formando um circuito (consulte a Figura 4-6). Em um forno a arco elétrico bipolar em série, a corrente flui de um dos eletrodos consumíveis através da escória (uma pequena parte da corrente também flui através da poça de fusão de metal e, em seguida, volta para a escória), passa pelo outro eletrodo consumível e, finalmente, retorna ao transformador para formar um loop.

O processo de refusão por arco elétrico inclui a formação de uma poça de escória, a fusão do eletrodo consumível, a solidificação do metal refundido e o reparo e encolhimento do lingote refundido, todos realizados em um procedimento de trabalho contínuo.

Quando a corrente passa pela escória, devido à alta resistência da escória, é gerado um forte aquecimento Joule na piscina de escória. O calor Q precipitado na piscina de escória por unidade de tempo é expresso da seguinte forma:

  Q = I²R (4-1)

Onde: Q - Joule de calor gerado por unidade de tempo, J/s;

I - intensidade de corrente da escória eletricamente condutora, A;

R - resistência da poça de escória na temperatura de fusão, Ω.

À medida que o eletrodo consumível é inserido na camada de escória, a parte de inserção do eletrodo consumível é aquecida pela alta temperatura da escória e excede seu próprio ponto de fusão. Como resultado, a camada superficial da ponta do eletrodo começa a derreter, formando uma fina camada de metal líquido, que se prende à parte superior da ponta do eletrodo. Ao mesmo tempo, sob a ação da gravidade g, da força eletromagnética R e da força de limpeza do movimento da poça de escória F, ela flui para baixo ao longo da superfície da ponta do eletrodo e se concentra na parte central do eletrodo para formar gotículas derretidas. A gravidade faz com que as gotículas derretidas caiam para baixo, enquanto a tensão interfacial δ entre a escória e as gotículas derretidas impede que as gotículas derretidas caiam (veja a Figura 4-7).

A fusão do eletrodo consumível e a transição das gotículas de metal durante o processo de refusão podem ser divididas nos três estágios a seguir:

1) O filme de metal líquido é formado na extremidade do eletrodo consumível;

2) Agregados em gotículas fundidas e transferidos para a poça de fusão de metal através da camada de escória;

3) Entrou na superfície da poça de fusão do metal.

1 - piscina de escória; 2 - camada de líquido derretido; 3 - piscina de metal derretido; 4 - pele de escória; 5 - lingote de escória elétrica; 6 - cristalizador;

7 - caixa d'água inferior; 8 - transformador; 9 - curto-circuito; 10 - suporte; 11 - eletrodo consumível

4.2 Vantagens da refusão por arco elétrico

Em comparação com os métodos gerais de fundição, o processo de refusão por arco elétrico se diferencia pelo fato de que o processo de refusão, incluindo a formação da poça de escória, a fusão do eletrodo consumível, a solidificação do metal refundido e o reparo e encolhimento do lingote refundido, são todos realizados em um procedimento de trabalho contínuo. Portanto, ele tem uma série de vantagens.

(1) O metal refundido pode ser efetivamente refinado pela escória.

(2) Melhorar as condições de cristalização do lingote de metal e aumentar o rendimento do metal.

(3) O equipamento é simples, o custo de produção é baixo e a operação é fácil de dominar.

(4) Há muitas variedades de produtos e uma ampla gama de aplicações.

(5) A refusão por arco elétrico também tem uma grande vantagem, pois pode produzir lingotes de metal com diferentes seções transversais, como redondos, quadrados, retangulares e lingotes de metal com grandes proporções de largura e comprimento. Também pode produzir tubos ocos e peças fundidas com diferentes formatos, como espaços em branco de tubos ocos, tarugos de laminação, vasos de alta pressão, grandes válvulas de alta pressão e virabrequins.

No entanto, há algumas desvantagens na refusão por arco elétrico, como baixa produtividade, alto consumo de eletricidade, efeito de desgaseificação ruim, dificuldade de controlar com precisão a composição química ao refundir aços com alto teor de Ti e Al e custos de produção mais altos em comparação com os métodos gerais de fundição.

4.3 Seleção de matérias-primas, sistema de escória e parâmetros de processo para refusão por arco elétrico

4.3.1 Matérias-primas para refusão por arco elétrico

(1) Eletrodo consumível

O eletrodo consumível usado na refusão por arco elétrico é geralmente um lingote de metal fundido em um forno a arco ou forno de indução, que é transformado em uma haste de metal após laminação ou forjamento. Sua seção transversal pode ser circular, quadrada ou retangular, e sua variedade deve ser a mesma do produto acabado após a refusão. Para evitar a oxidação e a queima de elementos facilmente oxidáveis durante o processo de refusão, é necessário que a superfície do eletrodo consumível esteja livre de ferrugem e pele de óxido, especialmente ao refundir aços e ligas que contenham Al, Ti, B e outros elementos. Durante o processo de refusão, com exceção dos elementos facilmente oxidáveis (como Ti, Al etc.) que podem ser queimados, os outros elementos basicamente não se alteram. Para esses elementos facilmente oxidáveis, eles devem ser controlados dentro de uma determinada faixa ao preparar o eletrodo consumível de acordo com a quantidade de queima durante o processo de refusão. Para evitar a excentricidade do eletrodo consumível durante o processo de refusão, é necessário que ele seja o mais reto possível, com uma raio de curvatura não excedendo 6 mm por metro.

(2) Placa de proteção do lingote

No início da refusão, para evitar que a caixa de água inferior seja queimada, uma placa de metal chamada placa de proteção do lingote pode ser colocada sob o cristalizador e acima da caixa de água inferior. A placa de proteção do lingote é feita do mesmo material que o eletrodo consumível. A superfície da placa de proteção do lingote não deve ter pele de óxido e ferrugem, e deve ser bem plana, de modo a garantir um contato próximo com a superfície da caixa de água inferior e obter um bom efeito condutor. A espessura da placa de proteção do lingote é geralmente selecionada como 12 a 18 mm.

(3) Material de escória de ignição

Como todos sabemos, na refusão por arco elétrico, a escória derretida tem uma certa condutividade. Quando o material da escória é sólido, sua condutividade é baixa e não pode ser usada para conduzir calor e estabelecer uma poça de escória diretamente. Se a escória sólida for usada como material de escória de ignição, será necessário encontrar uma escória com condutividade suficiente no estado sólido. Na prática, descobriu-se que quando a escória sólida contém uma certa quantidade de TiO₂ele pode atender a esse requisito. Portanto, por um período considerável de tempo, a escória sólida contendo TiO₂ foi usado como material de escória de ignição para refusão por arco elétrico.

(4) Material de escória de refusão

A escória desempenha um papel importante no processo de refusão por arco elétrico. Os sistemas de escória comumente usados são compostos principalmente de fluorita (CaF₂), alumina (Al₂O₃), cal (CaO) e magnésia (MgO), etc. (consulte a Tabela 4-1).

4.3.2 Seleção de parâmetros de processo para refusão por arco elétrico

(1) Tamanho do lingote de escória elétrica

A relação entre o peso e o tamanho do lingote satisfaz a Equação 4-2.

Peso do fuso G, t; diâmetro do fuso D, cm; altura do fuso h, cm; gravidade específica do metal fundido γ, g/cm³.

Tabela 4-1: Sistemas de escória comuns e suas densidades no estado líquido, bem como pontos de fusão.

(2) Dimensões do cristalizador e do eletrodo de autoconsumo

O diâmetro D do cristalizador é determinado pela seguinte fórmula:

em que D é o diâmetro médio do cristalizador em milímetros (mm); D_pro é o diâmetro do produto em milímetros (mm); M é a permissão de usinagem para a peça bruta (para lingotes, M=0; para peças fundidas, M=10-15mm); δ% é o encolhimento do lingote (geralmente 3±0,5%).

A altura H do cristalizador é determinada pela seguinte fórmula:

Se D for maior que 300 mm, então H deve ser considerado como o limite inferior.

O diâmetro do eletrodo de autoconsumo d_pole pode ser determinado pela seguinte fórmula empírica, que depende do diâmetro D do cristalizador:

em que K é a taxa de preenchimento, geralmente escolhida entre 0,4 e 0,6; d_pole é o diâmetro do eletrodo de autoconsumo em milímetros (mm); D é o diâmetro do cristalizador em milímetros (mm).

Atualmente, diferentes países ao redor do mundo escolhem diferentes taxas de enchimento K com base em suas situações reais. Um valor maior de K é melhor para reduzir o consumo de energia, aumentar a produtividade e melhorar a qualidade do lingote, além de garantir a qualidade do metal fundido e a segurança da operação. O diâmetro do eletrodo de autoconsumo não pode ser muito grande, pois isso afetará a segurança da operação.

O comprimento L_pole do eletrodo de autoconsumo pode ser calculado usando a seguinte fórmula:

onde G é a massa do lingote de metal em toneladas (t); n é o número de eletrodos de autoconsumo necessários para produzir um lingote de metal; γ é a densidade do metal refundido, que geralmente é considerada 7,9g/cm3 para o aço comum; Z é a densidade do eletrodo, que é considerada 0,95 para eletrodos fundidos e aproximadamente igual a 1 para eletrodos forjados e laminados; ΔL é o comprimento de cauda do eletrodo, que deve ser determinado com base no eletrodo fixação geralmente tomado como (2-3)d.

(3) Tensão de fundição

A tensão de fundição refere-se à soma da tensão de trabalho com a queda de tensão na linha durante a refusão. A tensão de trabalho está próxima da tensão da camada de escória e representa com mais precisão a tensão real. Ela determina a profundidade de imersão do eletrodo de autoconsumo, afeta a formação de cristais axiais de lingote satisfatórios e a qualidade da superfície, e está relacionada ao grau de oxidação dos elementos. O aumento adequado da tensão de boca do forno pode refinar as gotículas fundidas, aumentar a temperatura da escória e promover o crescimento do cristal axial do lingote. Em geral, para sistemas de escória com boa condutividade e baixa resistência, deve-se selecionar uma tensão de trabalho mais baixa. Ao fundir ligas que contenham elementos facilmente oxidáveis, como Al, Ti e aços ou ligas propensas à segregação, uma tensão de trabalho mais baixa também deve ser selecionada. A tensão de trabalho pode ser selecionada usando a seguinte fórmula empírica:

em que U é a tensão de trabalho em volts (V); D é o diâmetro do cristalizador em centímetros (cm); B é uma constante, considerada como 27-37V.

(4) Corrente de fundição

A corrente de fundição é um parâmetro importante que tem um impacto significativo na qualidade do produto e nos indicadores econômicos e técnicos. O aumento da corrente de fundição leva a uma maior profundidade de imersão do eletrodo de autoconsumo, o que é prejudicial para os cristais axiais do lingote. A corrente de fundição é determinada principalmente pela área seccional do eletrodo de autoconsumo e pela densidade de corrente.

I = A*J （4-8）

em que A é a área seccional do eletrodo de autoconsumo em milímetros quadrados (mm2); J é a densidade de corrente em amperes por milímetro quadrado (A/mm2).

A densidade de corrente J pode ser selecionada usando a seguinte fórmula empírica:

onde d é o diâmetro do eletrodo de autoconsumo em milímetros (mm).

(5) Potência de entrada

A potência de entrada é usada para verificar se os valores de tensão e corrente são adequados ou para fornecer uma base para a seleção de transformadores para o equipamento. A potência de entrada é determinada com base na potência de entrada do volume da piscina de escória da unidade. Se D = 400-800 mm, a potência de entrada efetiva é de 0,15-0,30 KW/cm²Se D = 200-400 mm, a potência de entrada efetiva é de 0,30-0,60 KW/cm²Se D < 200 mm, a potência de entrada efetiva é maior que 0,60 KW/cm.².

(6) Quantidade de escória e profundidade da piscina de escória

A quantidade de escória é determinada usando a seguinte fórmula, com os sistemas e densidades de escória comumente usados mostrados na Tabela 4-3:

em que G é o peso da escória em quilogramas (kg); D é o diâmetro do cristalizador em centímetros (cm); h é a profundidade da piscina de escória em centímetros (cm); γ é a densidade do metal refundido em quilogramas por centímetro cúbico (kg/cm³).

A profundidade da piscina de escória pode ser determinada usando a seguinte fórmula empírica:

Considere o limite superior quando D ≤250 mm e considere o limite inferior quando D >350 mm. De acordo com a literatura, a quantidade de escória para fornos elétricos monofásicos na China é de 30-40 kg/t, a quantidade de escória para fornos elétricos trifásicos na China é de 60-70 kg/t e a quantidade de escória no exterior é de 3-5% do peso do lingote.

(7) Temperatura da água de resfriamento

Para promover a cristalização do lingote e evitar acidentes, é necessária uma intensidade de resfriamento maior para o cristalizador e o tanque de água do fundo. A pressão da água de resfriamento geralmente deve ser de 1,5 a 2,0 kg/mm2 e a temperatura da água de saída do cristalizador deve ser controlada entre 40 e 60 ℃.

4.4 Características metalúrgicas da refusão de escória elétrica (Lição 11)

O processo de refusão de escória elétrica inclui a formação da poça de escória, a fusão do eletrodo de autoconsumo, a solidificação do metal refundido e a complementação e contração do lingote refundido. Esses processos são realizados em um procedimento de trabalho contínuo.

4.4.1 Formação da piscina de escória de refusão de escória elétrica

(1) Função da escória

Fonte de calor para o processo de refusão.

Refinamento eficaz.

Proteção do metal refundido com a camada de escória.

Além disso, durante o processo de solidificação do metal refundido, uma casca de escória fina e uniforme é formada na superfície do lingote, protegendo o cristalizador do contato direto com a escória de alta temperatura e tornando a superfície do lingote lisa e fácil de desmoldar.

(2) Propriedades da escória

Uma certa condutividade elétrica.

Baixa viscosidade e ponto de fusão.

Baixa pressão de vapor.

Tensão interfacial adequada da escória.

Densidade moderada de escória.

Permeabilidade adequada da escória.

(3) Seleção do sistema de escória

A escória deve ser selecionada com base na análise das propriedades físicas da escória mencionadas acima. Os sistemas de escória comumente usados são mostrados na Tabela 4-1.

O ponto de fusão do sistema de escória deve ser 100-200°C menor do que o do metal refundido, e a viscosidade da escória também deve ser pequena. Isso permitirá uma boa fluidez da escória durante o processo de refusão, o que é benéfico para a dessulfuração e a remoção de inclusões não metálicas. Também ajudará a formar uma casca de escória fina e uniforme na superfície do lingote, facilitando a solidificação do lingote e obtendo uma superfície lisa.

O sistema de escória CaF2-CaO tem uma capacidade significativa de dessulfuração, e a capacidade de dessulfuração aumenta com o aumento da basicidade da escória. Ao refundir aço de corte livre contendo enxofre, é necessária uma operação de escória ácida com R<1 para garantir o teor de enxofre no aço.

Durante a refusão de escória elétrica, é melhor ter menos óxidos instáveis (FeO, MnO, etc.) e óxidos de metais de valência variável (MexOy) na escória para evitar o aumento do teor de [O] no metal e a perda de elementos por queima. Ao fundir aços e ligas que contenham elementos como Al, Ti e B, a escória não deve conter SiO2.

Como os óxidos de metais alcalinos, como Na2O e K2O, têm baixos pontos de fusão e são fáceis de volatilizar, a escória não deve conter esses óxidos.

(4) Estabelecimento de uma piscina de escória

No início do processo de refusão, o reservatório de escória refratada deve ser estabelecido rapidamente para garantir o bom andamento do processo de refusão de escória elétrica. Há dois métodos para estabelecer a piscina de escória: o método do arco visível e o método do arco invisível, sendo que o último é usado principalmente na produção atual. No método do arco invisível, são usados principalmente o método de ignição de escória condutora sólida e o método de escória líquida.

4.4.2 Derretimento do eletrodo de autoconsumo

Durante o processo de gotejamento das gotículas de metal refundido, as características de transição se manifestam principalmente como a frequência de gotejamento das gotículas e o tamanho do diâmetro das gotículas, que têm uma influência considerável no refinamento do metal.

Em primeiro lugar, a composição da escória tem um efeito significativo sobre o tamanho da gota. Ao usar um eletrodo autoconsumível de aço ЭП65 com um diâmetro de d_pole=200 mm, um diâmetro de cristalizador de D_pro=425 mm e um sistema de escória de CaF2-Al2O3 com diferentes quantidades de Al2O3 adicionadas para refusão, a alteração na qualidade da gota está listada na Tabela 4-2.

Tabela 4-2 Alterações na fusão de gotículas.

Além disso, há uma certa relação entre a profundidade da poça de escória e a frequência e o tamanho da gota. Quando um eletrodo de autoconsumo de seção transversal pequena é usado, um aumento na profundidade da poça de escória leva a uma diminuição na frequência de queda de gotas e a um aumento no diâmetro das gotas (consulte a Tabela 4-3).

Tabela 4-3 Relação entre a profundidade da piscina de escória, a frequência de queda da gota e o diâmetro da gota.

Observação: a velocidade de elevação do eletrodo é de 1,55 m/h; a tensão é de 45 V.

A estabilidade do processo de refusão na produção de escória elétrica está intimamente relacionada à velocidade de descida do eletrodo de autoconsumo. Quando o eletrodo desce lentamente, o processo de eletroescória passa a ser um processo de arco. Nesse momento, a extremidade do eletrodo é plana, e as gotículas geralmente são distribuídas na borda da face do eletrodo (veja a Figura 4-18a). No momento em que as gotículas caem, pode-se observar a formação de arco e o processo de eletroescória é instável. Quando a velocidade de descida do eletrodo é aumentada, uma saliência cônica aparece na extremidade do eletrodo (veja a Figura 4-18b), e as gotículas se formam no centro da extremidade do eletrodo (a ponta da saliência). Com o aumento adicional da velocidade de descida do eletrodo, o tamanho da parte cônica do eletrodo inserido na escória aumenta e a concavidade da superfície lateral do cone diminui.

Figura 4-8 Características de fusão do eletrodo

a - Baixa velocidade de descida do eletrodo; b - Velocidade moderada de descida do eletrodo; c - Alta velocidade de descida do eletrodo.

Com o aumento da velocidade de descida do eletrodo, a superfície lateral do corpo cônico na extremidade do eletrodo se torna convexa, e parte da parte cilíndrica do eletrodo também é enterrada na poça de escória. Nesse momento, com o aumento da velocidade de descida do eletrodo, é possível observar um aumento lento da corrente (consulte a Figura 4-19).

Figura 4-9 Relação entre a velocidade de descida do eletrodo e a corrente

1 - Diâmetro do eletrodo 180 mm, U=80V; 2 - Diâmetro do eletrodo 180 mm, U=51V;

3 - Diâmetro do eletrodo 100 mm, U=51V; 4 - Diâmetro do eletrodo 80 mm, U=51V;

Quando a velocidade de descida do eletrodo é muito rápida, ocorre um arco periódico entre a extremidade do eletrodo e a superfície da poça de metal fundido devido ao desprendimento de gotículas, resultando em ebulição no fundo da poça de escória. Às vezes, pode ocorrer um curto-circuito entre o eletrodo e o reservatório de metal fundido, tornando o processo de refusão instável.

Em resumo, ao usar um eletrodo de seção transversal grande para a refusão por eletroescória, a extremidade do eletrodo deve ter o formato de um cone regular, o que torna o processo de refusão mais estável.

4.4.3 Solidificação do metal refundido

As diferenças entre o processo de solidificação de lingotes de escória elétrica e o de lingotes convencionais métodos de fundição são os seguintes:

(1) A segregação dos lingotes refundidos por eletroescória é menor do que a de outros métodos;

(2) Durante o processo de refusão por eletroescória, o novo metal líquido pode ser continuamente fornecido ao interior do cristalizador pela fusão contínua do eletrodo de autoconsumo, o que não é necessário na fundição de molde comum;

(3) Há uma fina camada de escória na superfície do lingote de eletroescória, o que faz com que a taxa de resfriamento axial seja muito maior do que a taxa de resfriamento radial, e a estrutura cristalina tende a ser axial;

(4) A estrutura cristalina do lingote de eletroescória não está relacionada apenas à casca de escória na superfície do lingote, mas também ao formato da poça de metal fundido.

A prática comprovou que os principais fatores que afetam a formação da forma da poça de metal fundido incluem a velocidade de descida do eletrodo de autoconsumo, a corrente de trabalho, a tensão de trabalho, a profundidade da poça de escória e a condutividade térmica do metal refundido.

4.4.4 Retração de compensação, desmoldagem e resfriamento

Retração de compensação: A contração de compensação deve ser realizada de 10 a 15 minutos antes do final do processo de refusão para garantir um lingote liso sem furos de contração e melhorar o rendimento do lingote de metal.

Desmoldagem e resfriamento: Após a conclusão da refusão, o lingote de metal deve esfriar por 10 minutos antes da desmoldagem. O tempo de resfriamento do molde geralmente é determinado de acordo com os diferentes tipos de aço e o tamanho do lingote. Após a desmoldagem, os aços-liga geralmente devem ser resfriados lentamente, e os métodos de resfriamento lento incluem resfriamento a ar, resfriamento com areia, resfriamento com exaustor e resfriamento em poço.

4.5 Qualidade metalúrgica da refusão por eletroescória

4.5.1 Dessulfurização e desfosforização no processo de eletroescória

O efeito de dessulfurização da refusão por eletroescória é significativo, e a taxa de dessulfurização geralmente pode chegar a 50-80%, o que é uma das vantagens da refusão por eletroescória. Nos métodos comuns de fabricação de aço, para remover efetivamente o enxofre do metal, as seguintes condições devem ser atendidas:

(1) A escória deve ter alta alcalinidade;

(2) Para que a escória flua bem, a temperatura da escória deve ser alta;

(3) A interface de contato entre o metal e a escória deve ser a maior possível.

Há três formas de dessulfurização no processo de refusão por eletroescória:

(1) É a dessulfurização da escória, o que significa que o enxofre é transferido do metal para a escória.

A fórmula da reação é: [S]+(O^2-)→(S^2-)+[O] (4-12)

A constante de equilíbrio da reação é: (4-13)

Portanto, a equação 4-13 produz: 

Se o conteúdo de íons de oxigênio na escória for maior e a atividade de oxigênio no metal for menor, mais enxofre será transferido do metal para a escória. Para aumentar o teor de íons de oxigênio na escória, pode-se usar escória de alta alcalinidade. A partir da fórmula da reação química da dessulfurização da escória, pode-se observar que, à medida que o enxofre é removido, o teor de oxigênio no metal deve aumentar.

(2) Durante o processo de refusão, a dessulfurização por gaseificação também é realizada, o que significa que o enxofre é transferido da escória para a atmosfera.

(S^2-) + 3/2{O₂} = (O^2-) + {SO₂} (4-15)

A constante de equilíbrio dessa reação é:

A Equação 4-16 resulta:

A equação 4-17 mostra que quanto maior a pressão parcial de oxigênio na atmosfera e menor a atividade dos íons de oxigênio na escória, mais favorável é a dessulfurização por gaseificação durante o processo de refusão. Há uma certa contradição entre esses dois processos de reação. No entanto, ambos os processos ocorrem no mesmo sistema, portanto, o efeito final da dessulfurização deve ser um resultado abrangente da interação entre essas duas reações.

(3) O enxofre no metal transita para a escória.

Diferentes polaridades de corrente e tensão também têm um certo efeito sobre a remoção de enxofre no metal. Se for usada a corrente contínua reversa (ou seja, eletrodo de autoconsumo conectado ao eletrodo positivo), o enxofre no metal pode passar para a escória, obtendo melhores resultados de dessulfurização. Basicamente, nenhum efeito de dessulfurização pode ser observado quando se usa CC positivo. Durante a refusão por arco elétrico, a dessulfurização por gaseificação é responsável por uma proporção considerável dos três métodos de dessulfurização mencionados acima. Em geral, o melhor efeito de dessulfurização é obtido com o uso de uma fonte de alimentação CA e escória de alta alcalinidade para refusão sob condições atmosféricas. Ao usar uma fonte de energia CA, o CaF₂-O sistema de escória de CaO tem o melhor efeito de dessulfurização no sistema de escória de flúor.

Quanto à desfosforização no metal, o método tradicional é criar condições de "três altos e um baixo" (alta alcalinidade, alto teor de (FeO), grande quantidade de escória e temperatura mais baixa) o máximo possível durante o processo de fundição. Entretanto, no processo de refusão por arco elétrico, é difícil obter bons resultados de desfosforização devido à natureza não oxidante da escória e à alta temperatura da poça de fusão.

4.5.2 Remoção de inclusões não metálicas durante a refusão por arco elétrico

A refusão por arco elétrico é muito eficaz na remoção de inclusões não metálicas do metal. A tabela a seguir mostra as alterações no conteúdo de inclusões não metálicas no aço para rolamentos de esferas após a refusão por arco elétrico.

Tabela 4-4 Alterações nas inclusões de óxido no aço para rolamentos de esferas após a refusão por arco elétrico

Tabela 4-10: Perda por queima de [Ti] durante a refusão por eletroescória em diferentes condições.

4.6 Aplicações da refusão por eletroescória

(1) Novas aplicações da refusão por eletroescória

Refusão por eletroslag ESR; fundição por eletroslag ESC; vazamento por eletroslag ESP; vazamento contínuo por molde de eletroslag ESMPC; fundição por eletroslag centrífuga CESC;

Fundição a quente por eletroslag ESHT; refusão rápida por eletroslag ESRR; Soldagem por eletroescória ESW; revestimento por eletroescória E.S. Cladding;

Formação de spray por eletroescória E.S. Osprey; fusão direta por eletroescória Direct ESM;

(2) Perspectivas futuras para produtos de eletroslag

I. Na produção de peças forjadas médias e grandes, a refusão estará em uma posição de monopólio.

II. Nas áreas de aço para ferramentas de alta qualidade, aço para matrizesaço inoxidável duplex resistente ao calor, aço de ultra-alta resistência contendo nitrogênio, peças em bruto para tubos e rolos laminados a frio, a refusão por eletroescória tem uma vantagem absoluta e substituirá a refusão por arco a vácuo nesse campo.

III. No campo das superligas (ligas de alta temperatura, ligas resistentes à corrosão, ligas de precisão, ligas de aquecimento elétrico), a refusão por eletroescória e a refusão por arco a vácuo estão em uma situação competitiva. No final da década de 1980, a produção da refusão por eletroescória havia ultrapassado a da refusão por arco a vácuo. Muitos materiais que seguem a refusão a arco a vácuo são materiais mais antigos, limitados por avaliações técnicas anteriores, enquanto os novos materiais de eletroescória têm uma vantagem absoluta.

IV. Na produção de metais não ferrosos, a refusão por eletroslag está em seu estágio inicial.

5. Refusão a arco a vácuo

5.1 Visão geral

A refusão a arco a vácuo é um processo que envolve o uso de um arco de corrente contínua gerado entre um eletrodo de metal e uma piscina de metal fundido, em um ambiente livre de escória e de baixa pressão. Os efeitos de alta temperatura do arco derretem os eletrodos de autoconsumo camada por camada e formam gotículas fundidas na extremidade do eletrodo. Essas gotículas entram na piscina de metal fundido pela zona do arco de alta temperatura e são rapidamente aquecidas pelo arco de alta temperatura, levando à purificação e ao refinamento, seguidos pela solidificação em um cristalizador resfriado a água.

Um forno a arco a vácuo pode criar um baixo potencial de oxigênio e uma condição de fusão de alta temperatura, o que o torna adequado para a fusão de metais refratários ou facilmente oxidados, como platina, tântalo e tungstênio. Com o desenvolvimento da indústria mecânica, o processo de refusão a arco de autoconsumo a vácuo foi aplicado com sucesso na produção de titânio e ligas de titânio, ligas de precisão, ligas de alta temperatura e metais refratários. Portanto, ele se desenvolveu rapidamente e cresceu em tamanho desde as décadas de 1940 e 1950. Em processos especiais de fusão, a fusão a arco a vácuo é um dos principais métodos de refusão e refino. O diagrama esquemático da fusão a arco a vácuo é mostrado na Figura 5-1.

1. Cristalizador de cobre; 2. Plataforma operacional; 3. Sistema de observação óptica; 4. Dispositivo de elevação do eletrodo; 5. Polo do eletrodo; 6. Corpo do forno; 7. Eletrodo; 8. Sistema de vácuo; 9. Arco; 10. Lingote; 11. Bobina de controle elétrico.

Os fornos a arco a vácuo podem ser divididos em duas categorias: autoconsumo e não autoconsumo. O último refere-se a um tipo de forno a arco a vácuo que usa condutores resistentes a altas temperaturas, como eletrodos de tungstênio ou grafite, e o metal a ser fundido é colocado no cristalizador para fusão e refinamento pelo calor do arco.

Durante o processo de fusão, o eletrodo em si não é consumido, ou é consumido apenas minimamente, por isso é chamado de não autoconsumo. Os fornos a arco de autoconsumo usam o metal a ser derretido como eletrodo, que derrete e sofre refinamento em uma determinada taxa durante o processo de arco, tornando esse tipo de forno a arco um forno a arco de autoconsumo. Como a grande maioria dos fornos a arco a vácuo usados na produção de aço e ligas são fornos a arco de autoconsumo, a menos que especificado de outra forma nas seções subsequentes, todas as referências serão feitas a fornos a arco de autoconsumo.

5.2 Introdução e classificação da estrutura dos fornos a arco a vácuo de não autoconsumo

5.2.1 Visão geral estrutural

Há vários tipos de fornos a arco de autoconsumo a vácuo, mas suas estruturas básicas são as mesmas. A Figura 5-1 mostra um forno a arco de autoconsumo a vácuo. Um conjunto completo de equipamentos para um forno a arco de autoconsumo a vácuo inclui o corpo do forno, o equipamento de fornecimento de energia, o sistema de vácuo, o sistema de controle, o sistema de observação, o sistema de resfriamento de água e outros componentes. O diagrama esquemático do princípio de refusão a arco a vácuo e o diagrama esquemático estrutural do forno a arco a vácuo com eletrodo de autoconsumo são mostrados na Figura 5-2 e na Figura 5-3, respectivamente.

1. Eletrodo de autoconsumo de metal; 2. zona de fase gasosa; 3. zona de coluna de arco; 4. piscina de metal fundido; 5. lingote.

1. Polo negativo; 2. Mecanismo de alimentação do eletrodo; 3. Haste de conexão; 4. Luva de vedação deslizante a vácuo; 5. Corpo do forno; 6. Grampo; 7. Haste curta; 8. Eletrodo de autoconsumo; 9. Cadinho de cobre; 10. Lingote fundido; 11. Camisa de água; 12. Polo positivo; a. Entrada de água de resfriamento; b. Saída de água de resfriamento; c. Exaustão da bomba de vácuo.

5.2.2 Classificação dos fornos a arco a vácuo de autoconsumo

Há muitos tipos de fornos, que podem ser classificados de acordo com as diferentes características do forno a arco. De acordo com a estrutura do corpo do forno, ele pode ser dividido em tipos fixos e rotativos. De acordo com a forma do lingote, ele pode ser dividido em lingote fixo e lingote puxado. De acordo com o modo de operação, ele pode ser dividido em intermitente e contínuo.

5.3 Processo de refusão para aço e ligas

5.3.1 Etapas da refusão a arco

O processo de refusão a arco pode ser dividido em quatro estágios: eletrodos de soldagem, arco, fusão normal e cobertura.

A soldagem é realizada em um vácuo ou em uma atmosfera protetora. Uma camada de material de início de arco (geralmente do mesmo tipo de cavacos) é espalhada na extremidade do eletrodo de autoconsumo que está sendo soldado e, em seguida, o eletrodo de início de arco é colocado na extremidade do eletrodo de autoconsumo. haste do eletrodo é abaixado para que o arco ocorra entre o eletrodo de transição e o eletrodo de autoconsumo. Quando as duas extremidades da zona de arco são aquecidas e o arco é estável com uma grande quantidade de fase líquida formada, a haste do eletrodo é rapidamente abaixada para que as duas extremidades da zona de arco fiquem em contato próximo e sejam soldadas.

O objetivo do arco é formar um arco entre o eletrodo de autoconsumo e o material de início do arco na parte inferior do cristalizador, aumentar a temperatura da zona de arco e formar um determinado tamanho de piscina de metal fundido na parte inferior do cristalizador, manter um arco estável entre o eletrodo de autoconsumo e a piscina de metal fundido e fazer a transição da refusão do eletrodo de autoconsumo para o período normal de fusão.

O período normal de fusão é o principal estágio do processo de refusão, durante o qual o aço ou as ligas são refinados e solidificados em lingotes. Isso remove gases e impurezas metálicas de baixo ponto de fusão do metal, remove inclusões não metálicas, reduz a segregação e obtém uma estrutura cristalina ideal.

O objetivo da cobertura é reduzir as cavidades de contração na parte superior do lingote fundido novamente, reduzir a porosidade da zona de contração em "V" na parte superior, promover a flutuação final e a remoção de inclusões, reduzir a quantidade de corte de cabeça e aumentar a taxa de rendimento.

5.3.2 Parâmetros do processo

(1) Diâmetro do eletrodo de autoconsumo

O diâmetro do eletrodo de autoconsumo afeta diretamente a qualidade do lingote refundido. Quando o diâmetro é grande, o calor do arco é distribuído uniformemente por toda a superfície da poça de fusão, de modo que a poça de fusão é plana. Isso facilita a obtenção de um lingote refundido com pequena segregação, estrutura densa e orientação cristalina colunar, o que é benéfico para melhorar o desempenho do processamento térmico (o ângulo entre a direção dos grãos colunares e o eixo do lingote é pequeno). Em geral, a fórmula a seguir é usada para selecionar o diâmetro do eletrodo:

       d/D=0,65～0,85 (5-1)

em que d é o diâmetro do eletrodo de autoconsumo, em mm, e D é o diâmetro do cristalizador, em mm.

Para aço ou ligas, atualmente, d/D é geralmente selecionado dentro do intervalo de 0,7 a 0,8. Escolha o limite superior para lingotes de tamanho maior e o limite inferior para lingotes de tamanho menor.

Além disso, o diâmetro do eletrodo também pode ser determinado pela fórmula empírica a seguir:

d=D-2δ (5-2)

em que δ é a distância entre o eletrodo e o cristalizador em mm.

Quando o eletrodo é um cilindro multifacetado, o valor representa a distância entre as bordas do eletrodo e a parede interna do cristalizador. Ao determinar o valor de δ, deve-se garantir que ele seja maior do que o comprimento do arco durante a fusão normal, a fim de eliminar o risco de gerar arcos nas bordas.

Durante a refusão de metais e ligas não ferrosos ou refratários, especialmente durante a primeira refusão a vácuo (com uma grande quantidade de liberação de gás), para remover totalmente os gases e garantir uma operação segura, δ deve ser maior do que o selecionado para a refusão de aço. Em geral, δ é escolhido na faixa de 25 a 50 mm, com o limite superior para lingotes maiores.

Tabela 5-1 Fórmula empírica para determinar a corrente de fusão

Fórmula	Unidade		Faixa de aplicação	Observação
	I ou I	d ou D
	iA/cm2	d mm	Aço, liga de aço, ligas à base de ferro ou níquel.	i- Densidade de corrente  I- Corrente de fusão  d- Diâmetro do eletrodo de autoconsumo  D- Diâmetro do cristalizador
	IA	D mm	Aço, liga de aço D=145～150 d/D=0,7～0,8
	IA	d mm	Ligas à base de ferro ou níquel d=10～300 d/D=0,65～0,85

(2) Grau de vácuo:

O grau de vácuo tem impacto direto sobre a desoxidação, a desgaseificação, a volatilização de elementos, a decomposição e a remoção de inclusões durante o processo de refusão, bem como sobre o comportamento do arco e a segurança da operação. Portanto, o grau de vácuo é um parâmetro de processo muito importante. Para melhorar o efeito de refino, é necessário aumentar o grau de vácuo da câmara de fusão, mas, para estabilizar o arco, o grau de vácuo não deve ser muito alto, evitando principalmente a faixa de pressão que causará descarga incandescente. A pressão da câmara de fusão deve ser mantida em torno de 1,3 Pa.

(3) Atual:

A corrente de fusão determina a taxa de fusão do eletrodo de autoconsumo e a temperatura da poça de fusão. Uma grande corrente leva a uma alta temperatura do arco e a uma rápida taxa de fusão do eletrodo, o que resulta em uma melhor qualidade da superfície do lingote refundido. Entretanto, a alta temperatura da poça de fusão aumenta a profundidade da poça de fusão e faz com que a direção de cristalização do lingote fundido tenda para a horizontal. Como resultado, o desenvolvimento solto do lingote fundido aumenta, o desvio da composição aumenta, a anisotropia se intensifica e o desempenho do processamento térmico se deteriora.

Quando a corrente de fusão é pequena, embora a taxa de fusão seja baixa, a forma da poça de fusão do metal é rasa e plana, e a direção de cristalização tende a ser axial, garantindo assim que o lingote refundido seja denso, com inclusões pequenas e dispersas que podem flutuar para cima e para fora entre os cristais dendríticos. A seleção da corrente de fusão também deve considerar o diâmetro do eletrodo, o tamanho do lingote e as propriedades físicas do produto refinado (como ponto de fusão, composição, viscosidade, condutividade térmica etc.). A Tabela 5-1 apresenta as expressões de fórmula para selecionar a corrente de fusão.

(4) Tensão:

Sob a condição de uma corrente fixa, o comprimento do arco é determinado pela tensão do arco. Se o comprimento do arco for muito curto (menos de 15 mm), é provável que ocorram curtos-circuitos periódicos, fazendo com que a temperatura da poça de fusão flutue, afetando, assim, a uniformidade da estrutura cristalina e a qualidade da superfície do lingote fundido. Se o arco for muito longo, o calor não será concentrado, a distribuição térmica da poça de fusão será desigual e a uniformidade da estrutura cristalina do lingote fundido será afetada, aumentando o risco de arco de borda. Na fusão a arco a vácuo, o controle do comprimento do arco é basicamente o mesmo. Atualmente, o comprimento do arco é controlado principalmente na faixa de 22 a 26 mm, o que corresponde a uma tensão de 24 a 26 V. O valor de δ nesse momento deve ser maior que 25 mm.

(5) Taxa de fusão:

O número de quilogramas de líquido metálico derretido do eletrodo de autoconsumo e que entra no cristalizador por unidade de tempo é chamado de taxa de fusão, que geralmente é expressa em kg/min. A taxa de fusão (V) pode ser determinada pela distância (S, mm/min) que a régua ligada ao movimento de cima para baixo do eletrodo de autoconsumo cai em uma unidade de tempo. A fórmula de cálculo é

V= K-S (5-3)

em que K é o coeficiente da taxa de fusão, kg/mm, ou seja, o número de quilogramas de eletrodo de autoconsumo fundido pelo eletrodo de consumo branco para cada gota de 1 mm. O valor K pode ser derivado do equilíbrio de massa entre o movimento descendente do eletrodo e o movimento ascendente do nível do líquido.

(6) Taxa de vazamento:

A taxa de vazamento E do sistema de vácuo refere-se à quantidade de ar que permeia a câmara de vácuo a partir do exterior por unidade de tempo, com uma unidade de μmHg.L/s. A taxa de vazamento tem um impacto significativo na qualidade do metal fundido novamente, especialmente no caso de ligas difíceis de fundir ou que contêm elementos ativos. O gás vazado no sistema de vácuo aumenta a pressão parcial de oxigênio, nitrogênio e vapor de água na câmara de vácuo, aumentando, assim, o número de óxidos e nitretos no metal refundido, o que resulta na diminuição da resistência e da plasticidade da liga. Portanto, a refusão a arco a vácuo exige que a taxa de vazamento do equipamento seja controlada em ≤ 6,67Pa.L/s. Ao fundir metais difíceis de fundir e suas ligas, o requisito para E é de 0,400-0,667 Pa.L/s.

(7) Intensidade de resfriamento:

A intensidade de resfriamento do cristalizador afeta o processo de solidificação e a estrutura de fundição do lingote refundido. Na produção real, a intensidade do resfriamento é afetada por fatores como a taxa de fluxo, a pressão, a temperatura de entrada e saída da água de resfriamento, bem como o tipo de lingote, o peso, o grau de aço, a estrutura do cristalizador e a temperatura de fundição. Devido à complexidade desses fatores, a taxa de fluxo da água de resfriamento é frequentemente ajustada de acordo com a experiência durante a operação, de modo que as temperaturas de entrada e saída da água estejam dentro da faixa necessária, mantendo uma taxa de solidificação consistente com a taxa de fusão e mantendo estável o formato da poça de fusão do metal.

Os requisitos para a temperatura da água de saída do cristalizador são os seguintes: a diferença de temperatura entre a entrada e a saída de água do cristalizador inferior deve ser inferior a 3°C; a diferença de temperatura entre a entrada e a saída de água do cristalizador superior não deve ser inferior a 20°C, e a temperatura da água de saída deve estar dentro da faixa de 45-50°C.

5.4 Problemas comuns de qualidade metalúrgica na refusão a arco a vácuo

5.4.1 Macroscópico Defeitos do aço e ligas

Os defeitos macroscópicos comuns incluem principalmente a má qualidade da superfície e as rachaduras dos lingotes fundidos novamente.

(1) Má qualidade da superfície dos lingotes fundidos.

A característica da refusão a arco a vácuo é a operação sem escória em um ambiente de baixa pressão. O líquido metálico após a refusão se solidifica rapidamente no cristalizador resfriado a água, o que pode causar defeitos na superfície, como cicatrizes, inclusões de escória, marcas pesadas e reviravoltas na pele do lingote refundido.

(2) Rachaduras

Podem existir rachaduras no tarugo ou no material durante o trabalho a quente ou após o acabamento. De acordo com suas causas, as rachaduras podem ser divididas em rachaduras superficiais, rachaduras causadas por furos de contração e rachaduras intergranulares.

5.4.1 Defeitos microscópicos de aço e ligas

(1) Porosidade

Durante a solidificação, formam-se microporos entre os cristais dendríticos devido ao encolhimento do volume e ao suplemento insuficiente de líquido metálico. Esse defeito pode ser superado selecionando-se um sistema de processo de início de arco razoável e aumentando a potência de entrada por um curto período (a corrente de fusão deve ser aumentada em 10-20% acima do normal para aumentar a temperatura da poça de fusão e fazer com que a taxa de fusão do metal seja maior do que a taxa de solidificação).

(2) Segregação

A segregação é causada fundamentalmente pelo processo de separação de cristais selecionado. Vários fatores que afetam a separação de cristais, como composição, tipo de lingote, tamanho do lingote, taxa de fusão, formato da poça de fusão, taxa de solidificação e tamanho do campo magnético, afetam o desenvolvimento da segregação.

5.5 Características da refusão a arco a vácuo

(1) O processo de fusão é conduzido em um ambiente de baixa pressão, o que não só elimina a poluição do ar externo às ligas, mas também reduz o conteúdo de gás e as impurezas prejudiciais com baixos pontos de fusão que são propensos à volatilização em aço e ligas, melhorando assim a pureza da liga.

(2) Os elementos ativos, como o alumínio e o titânio, têm pouca perda de queima durante o processo de refusão, e a composição química da liga é relativamente estável.

(3) A fusão é realizada em um ambiente sem escória ou materiais refratários, o que evita que inclusões estranhas dessas duas fontes contaminem a liga.

(4) Melhora o tipo e a distribuição das inclusões.

(5) As condições de solidificação desse método de fusão podem garantir a produção de lingotes refundidos de alta qualidade com baixo grau de segregação e alta densidade.

(6) A alta temperatura do arco permite a refusão de metais e ligas com altos pontos de fusão.

(7) Um sistema de processo de vedação razoável pode minimizar os orifícios de contração na parte superior do lingote refundido e a estrutura cristalina da área de contração final pode estar mais próxima do corpo do lingote, melhorando assim o rendimento.

(8) A atmosfera durante a refusão a arco a vácuo pode ser controlada.

(9) Em comparação com a refusão por arco elétrico, a qualidade da superfície e a densidade dos lingotes refundidos são piores, e os furos de contração não podem ser completamente eliminados. Devido à baixa qualidade da superfície, os lingotes refratados geralmente precisam ser descascados, o que resulta em um rendimento menor de metal.

(10) A remoção de enxofre e inclusões é menos favorável do que a refusão por arco elétrico.

(11) Para ligas de alta temperatura, o desempenho de trabalho a quente de lingotes refundidos produzidos por refusão a arco a vácuo é inferior.

(12) É difícil controlar a composição de ligas que contêm elementos facilmente voláteis, como o manganês, durante a refusão a arco a vácuo. Durante a refusão do GCrl5, a perda de manganês no aço pode chegar a 15-18%, e o manganês evaporado se condensa na parede interna do cristalizador, causando um teor excessivo de manganês na superfície do lingote refundido. Ele deve passar por um processo de descascamento antes do trabalho a quente.

(13) O equipamento é complexo e os custos de manutenção são altos, resultando em um aumento no custo de produção das ligas.

5.6 Variedades produzidas pelo forno a arco a vácuo

(1) Metais refratários e ativos e suas ligas, como W, Mo, Ta, Nb, Zr, Hf, Ti e U.

(2) Ligas especiais: ligas de alta temperatura e ligas de precisão.

(3) Aço inoxidável especial e aço resistente ao calor.

(4) Aços estruturais importantes, especialmente grandes lingotes fundidos.

(5) Aço de rolamento de alta qualidade.

(6) Aço rápido de seção grande e aço ferramenta.

(7) Metais não ferrosos de alta pureza e suas ligas.

6. Fusão por plasma

6.1 Características da fusão a plasma

O plasma é uma poderosa fonte de calor de alta temperatura que é amplamente utilizada não apenas nos setores de soldagem, corte, pulverização e químico, mas também no setor metalúrgico, ou seja, na fusão por plasma.

A fusão por plasma usa um arco de plasma como fonte de calor, que pode fundir materiais metálicos e não metálicos. Ela foi aplicada pela primeira vez no campo da metalurgia no início da década de 1960 e foi usada principalmente para refinar materiais metálicos e fundir aços e ligas de alta pureza e desempenho especial, especialmente na produção de ligas de alta temperatura e precisão.

6.1.1 Geração de plasma e características do arco de plasma

O arco de plasma tem as seguintes características:

• Alta temperatura do arco de plasma.
• Forte condutividade do arco de plasma.
• Alta taxa de fluxo do arco de plasma.
• Combustão estável do arco de plasma.

6.1.2 Vantagens da fusão a plasma

O forno de fusão a plasma pode não apenas produzir ligas de aço e ligas, mas também pode fundir alguns metais refratários e metais ativos, como W, Mo, Nb, Ta, Zr, Ti, etc. Esse equipamento tem sido continuamente aprimorado e desenvolvido rapidamente em termos de tecnologia e tem grande vitalidade econômica porque apresenta as seguintes vantagens:

(1) Velocidade de fusão rápida e alta eficiência térmica.

(2) Remoção adequada de gás e inclusões não metálicas.

(3) Pequena perda de elementos de liga.

(4) Corrente e tensão de trabalho estáveis.

(5) Pode trabalhar sob diferentes atmosferas e pressões. Durante a fusão a plasma, diferentes pressões e atmosferas (como redutora ou inerte) podem ser usadas no forno de acordo com os diferentes requisitos do processo.

(6) Pode realizar o refino de escória. O forno a plasma pode usar não apenas materiais finos para fusão, mas também materiais grossos, até mesmo materiais com alto teor de enxofre.

(7) Evita a possibilidade de adição de carbono.

(8) Pequena quantidade de evaporação de elementos. A diferença entre a fusão a plasma e outros métodos de fusão (como a fusão a arco a vácuo, a fusão por indução a vácuo e a fusão por feixe de elétrons) é que há pressão atmosférica acima da poça de fusão, portanto, a quantidade de evaporação dos elementos no metal é pequena.

(9) Pode nitrogenar o metal.

(10) Equipamento simples e fácil regulagem da temperatura. Em comparação com um forno a vácuo, o forno a plasma tem equipamentos simples e a temperatura do arco é relativamente fácil de regular.

(11) Ampla gama de materiais para refusão. Em comparação com um forno a arco a vácuo, o forno de refusão a plasma pode não apenas refundir barras, mas também blocos.

6.2 Fusão a plasma

De acordo com o método de aquecimento, a fusão por plasma inclui principalmente a fusão por arco de plasma, a fusão por indução de plasma, a refusão por arco de plasma, a fusão por feixe de elétrons de plasma e assim por diante.

(1) A fusão por arco de plasma (PAM) utiliza a temperatura ultra-alta e a atmosfera de gás inerte de um arco de plasma para fundir metais refratários e elementos ativos em um cadinho refratário. O processo tem altas taxas de recuperação de ligas, descarbonetação eficaz e produz ligas de alta pureza.

(2) A fusão por indução de plasma (PIM) é um forno que combina a temperatura ultra-alta e a atmosfera de gás inerte de um arco de plasma com aquecimento por indução e agitação eletromagnética. O PIM pode efetivamente dessulfurar, descarbonetar e desgaseificar materiais metálicos, além de ter vantagens no controle de elementos voláteis.

(3) A refusão por arco de plasma (PAR) funde o metal e a escória usando um arco de plasma em uma atmosfera de gás inerte e solidifica em um cristalizador resfriado a água, produzindo bons resultados metalúrgicos.

(4) A refusão por feixe de elétrons de plasma (PER) usa plasma de argônio para aquecer o cátodo de tântalo sob baixo vácuo, fazendo com que ele emita elétrons térmicos. Esses elétrons colidem com o material metálico do ânodo sob a influência de um campo elétrico e, em seguida, solidificam-se em um cristalizador resfriado a água. Esse método pode derreter com eficácia a esponja de titânio e outros metais refratários.

1 - Pistola de plasma; 2 - Orifício de inspeção; 3 - Saída de aço; 4 - Bobina de indução; 5 - Cadinho; 6 - Eletrodo de fundo da fornalha; 7 - Carcaça da fornalha; 8 - Arco de plasma; 9 - Arco de plasma; 10 - Arco de plasma. Bocal de plasma; 10 - Funil de alimentação em liga metálica.

6.2.1 Fusão por indução de plasma (PIM)

O forno de indução a plasma é uma combinação de um forno de indução comum e um dispositivo de aquecimento a arco de plasma. Devido à adição de uma fonte de calor de plasma no forno de indução, é possível adotar a fusão de escória e criar escória ativa de alta temperatura, com uma temperatura de cerca de 1850°C, o que cria condições favoráveis para reduzir o teor de enxofre nos metais. Portanto, ele evita as desvantagens da escória fria e da atmosfera desprotegida no forno de indução comum e melhora significativamente a capacidade de refino do forno de indução.

Os fornos de indução a plasma geralmente operam sob condições de pressão normal e também podem trabalhar sob pressão negativa, se o processo assim o exigir.

Para obter metais com maior teor de [N], o forno de indução a plasma pode usar gás não ativo N2 ou N2+Ar como gás de trabalho. Ao formar um arco de plasma por meio de um fluxo de nitrogênio e realizar a liga ao mesmo tempo, o teor de nitrogênio no metal aumenta. Às vezes, para descarbonetar o aço líquido, algumas fábricas também usam o ar como gás de trabalho no forno de indução a plasma.

Esse tipo de equipamento de fusão tem como característica importante o fato de poder realizar operações com ou sem escória. Quando o processo de fusão precisa usar a operação com escória, as tarefas de dessulfurização, desoxidação e descarbonetação podem ser concluídas. Ao usar a operação sem escória, a superfície do metal líquido é aquecida diretamente por um arco de plasma de alta temperatura.

Conforme mostrado na Figura 6-1, o forno de indução de plasma consiste nas quatro partes a seguir: corpo do forno de indução de plasma, fonte de alimentação do forno de indução, pistola de plasma e gerador de arco de plasma.

A fusão por indução a plasma é um método de fusão especial altamente competitivo que se aproxima ou supera o nível da fusão por indução a vácuo em termos de dessulfurização, remoção de impurezas não metálicas e redução do teor de gás em aço e ligas.

1 - Pistola de plasma; 2 - Tampa do forno; 3 - Ânodo auxiliar; 4 - Saída de aço; 5 - Bobina de agitação; 6 - Revestimento do forno; 7 - Ânodo resfriado a água; 8 - Cátodo de tungstênio; 9 - Arco de plasma; 10 - Porta do forno; 11 - Metal fundido; 12 - Escória fundida.

6.2.2 Fusão por arco de plasma (PAM)

O forno a arco de plasma utiliza a temperatura ultra-alta e a atmosfera inerte do arco de plasma para fundir metais refratários e elementos ativos em um cadinho de material refratário. A liga tem uma alta taxa de recuperação, pode descarbonetar com eficácia e tem alta pureza.

A Figura 6-2 mostra um forno a arco de plasma, que tem aparência semelhante a um forno a arco comum e é equipado com uma tampa de forno 2, porta de forno 10, saída de aço 4, dispositivo de agitação eletromagnética 5, pistola de plasma 1 e ânodo inferior 7. Para evitar a poluição por gás, o forno a arco de plasma também pode ser vedado.

As pistolas são compostas por bicos de cobre resfriados a água e cátodos de tungstênio de cério (ou tungstênio de tório) resfriados a água. O bocal é isolado do cátodo de tungstênio de cério e permite a passagem do gás argônio. O gás argônio flui para o forno a partir da parte superior da pistola através da manga da pistola e se ioniza em plasma. O corpo do forno é feito de materiais refratários e, na parte central da parte inferior do forno, há uma haste de grafite (ou haste de aço-cobre resfriada a água) enterrada como ânodo inferior. Quando energizado, o ânodo inferior é conectado ao polo positivo da fonte de alimentação CC.

Devido à alta temperatura e ao calor concentrado do arco de plasma e à mistura fraca causada por esse tipo de arco, o metal na poça de fusão pode superaquecer e, às vezes, há pedaços não derretidos no fundo do forno. Para garantir agitação suficiente do metal durante o processo de fusão e uniformizar a temperatura e a composição química da poça de fusão, duas bobinas de cobre resfriadas a água são instaladas na camada externa do material refratário na parte inferior do forno. A corrente de trabalho passa por elas para gerar um campo magnético e agitar o metal fundido.

1 - Pistola de plasma; 2 - Anel de vedação; 3 - Haste de alimentação; 4 - Piscina de metal fundido; 5 - Lingote; 6 - Sistema de retirada; 7 - Sistema de vácuo; 8 - Câmara do forno; 9 - Fonte de alimentação; 10 - Cristalizador.

Para fornos a arco de plasma não selados, uma certa quantidade de escória deve ser produzida para cobrir a superfície do metal fundido e evitar a oxidação e a absorção. Se houver uma tarefa de dessulfurização, a escória de forno alcalino pode ser produzida, e a operação de substituição de escória também pode ser usada para atingir o teor de enxofre necessário.

O efeito de refino mostrado pelo forno a arco de plasma é muito significativo e pode ser usado para fundir vários tipos de aço e ligas, como aço para ferramentas de alta velocidade, aço resistente ao calor, aço para rolamentos, aço inoxidável de carbono ultrabaixo, ligas de precisão e ligas de alta temperatura.

Além de fundir ligas de aço, o forno a arco de plasma também pode ser usado para fundir ligas de ferro. Durante o processo de fabricação de aço, quando a sucata de aço é derretida, a radiação da piscina de metal para a parede do forno é aumentada, acelerando os danos aos materiais refratários do revestimento do forno. Para prolongar a vida útil do revestimento do forno, alguns fornos elétricos a arco são usados apenas como equipamento de fusão, e as tarefas de refino do aço líquido são realizadas na panela.

Para aquecer o líquido de aço na concha, o princípio de funcionamento do forno a arco de plasma foi utilizado, e o equipamento de aquecimento de concha de plasma foi desenvolvido. Por exemplo, o dispositivo de aquecimento secundário de concha de plasma de 220 t construído nos Estados Unidos atualmente, o forno de aquecimento de concha de plasma de 150 t da Krupp Steel Works na Alemanha e a pistola de plasma CA com uma corrente de 12 kA instalada nesse forno de concha.

6.2.3 Refusão por arco de plasma (PAR).

O método de refusão por arco de plasma é um método de fusão especial que usa um arco de plasma para fundir metais em uma atmosfera inerte ou controlada. Ele também pode ser considerado um processo de refusão de metal. Durante o processo de refusão, as gotículas de metal fundido passam pela camada de escória e se solidificam no cristalizador. Assim como a refusão a arco com eletrodo consumível a vácuo e a refusão com eletroescória, ela derrete e solidifica ao mesmo tempo, ou seja, a fusão e a fundição do metal são realizadas simultaneamente. O material metálico fundido pode ser um material em barra ou em bloco. Ao usar materiais em barra, o arco de plasma atinge diretamente o material em barra para derretê-lo.

Dependendo do tamanho do lingote, a refusão a plasma pode ser realizada com uma operação de pistola única ou com várias pistolas. Na operação com uma única pistola, a pistola de plasma é instalada verticalmente no centro da câmara do forno, e a haste de alimentação se estende para dentro da câmara do forno a partir do orifício de carregamento de material na lateral do corpo do forno (conforme mostrado na Figura 6-3). Para a operação com várias pistolas, a haste de alimentação se estende para dentro do forno diretamente acima do forno e várias pistolas de plasma (4 a 6) são dispostas em torno da haste de alimentação e inclinadas a partir da parede lateral do forno.

Ao refundir materiais em bloco, para derreter a carga de forma rápida e completa, a carga deve ser adicionada ao centro da piscina fundida por meio de uma calha de funil. O revestimento do forno de refusão a arco de plasma geralmente adota uma estrutura de camada dupla de aço inoxidável, com resfriamento a água no meio. O cristalizador é colocado no centro da parte inferior da câmara do forno, uma extremidade da fonte de alimentação é conectada ao eletrodo na pistola de plasma e a outra extremidade é conectada à poça de fusão por meio do lingote de metal solidificado.

Antes da refusão, o forno é evacuado e o gás Ar é usado como gás de trabalho para a pistola de plasma. Durante a operação, o gás é introduzido na câmara do forno enquanto o gás dentro do forno está sendo bombeado para fora, e a pressão dentro do forno é mantida em um determinado nível.

Em comparação com os fornos a arco de plasma e os fornos de indução de plasma, a diferença da refusão a plasma é que ela usa cristalizadores resfriados a água para derreter e solidificar o metal simultaneamente. Devido à alta temperatura do arco de plasma, uma piscina de escória pode ser formada na superfície do metal fundido, e uma fina camada de casca de escória pode se formar na superfície do lingote, resultando em uma boa estrutura de fundição. Durante o processo de refusão, o metal tem proteção contra gás Ar, de modo que as flutuações da composição química do metal são pequenas, e o conteúdo de gases e inclusões não metálicas é baixo. A quantidade total de inclusões e o teor de oxigênio no aço refundido por plasma ficam atrás apenas da refusão por feixe de elétrons.

Atualmente, esse método de fusão pode ser usado para fundir aço de rolamento, aço estrutural de liga, aço resistente à corrosão, aço de liga contendo nitrogênio, metais refratários e suas ligas, aço de matriz de alta temperatura, ligas de precisão e metais ativos.

7. Refusão em forno de feixe de elétrons

7.1 Visão geral

A fusão por feixe de elétrons (EBM) é um método metalúrgico que utiliza a alta densidade de energia de um feixe de elétrons para fundir metais, bombardeando-os com calor. Essa tecnologia tem sido aplicada em vários campos, principalmente para a fusão, purificação e reciclagem de metais raros, metais preciosos e metais refratários. Ela também pode ser usada para produzir materiais semicondutores e cristais únicos de metais refratários e suas ligas.

A refusão por feixe de elétrons (EBR) é um processo de refino que usa um feixe de elétrons de alta velocidade emitido por um canhão de elétrons como fonte de calor para refinar materiais metálicos em condições de alto vácuo. A energia cinética do feixe de elétrons é convertida em energia térmica, que derrete e purifica o metal. O metal derretido é então resfriado em um cristalizador resfriado a água para formar gotículas solidificadas.

Como o EBM é conduzido em condições de alto vácuo, a temperatura de superaquecimento é alta e o tempo de manutenção em seu estado líquido é longo, resultando em purificação e refinamento eficazes do metal. O processo pode remover impurezas como desgaseificação, desoxidação e impurezas voláteis do metal. Durante o processo de fundição dos lingotes, as impurezas flutuam até o topo e se acumulam na parte superior do lingote, enquanto os metais de alto ponto de fusão se concentram na superfície. Ao remover a parte superior do lingote e refinar a camada externa, é possível obter um lingote de metal de alta pureza. Um diagrama esquemático de um forno de fusão por feixe de elétrons é mostrado na Figura 7-1.

1 - Bomba de difusão de óleo; 2 - Bomba mecânica; 3 - Bomba de raízes; 4 - Chão de fábrica; 5 - Plataforma de operação; 6 - Válvula de carregamento; 7 - Mecanismo de empurrar a haste de carregamento; 8 - Haste de carregamento; 9 - Sistema de deflexão do feixe de elétrons; 10 - Canhão de elétrons; 11 - Interface de vácuo do canhão de elétrons; 12 - Feixe de elétrons; 13 - Câmara de fusão; 14 - Cristalizador; 15 - Base do molde de lingote resfriado a água; 16 - Carro de lingote; 17 - Mecanismo de reboque; 18 - Estrutura do mecanismo de reboque;

O processo de refusão por feixe de elétrons começou com a fusão de metais refratários, como tântalo, nióbio, háfnio, tungstênio e molibdênio, mas agora se expandiu para a produção de materiais semicondutores, ligas magnéticas de alto desempenho e alguns aços especiais, como aço para rolamentos, aço inoxidável resistente à corrosão e ferro puro de carbono ultrabaixo. Além disso, o forno de refusão por feixe de elétrons também pode ser usado para derreter determinadas ligas resistentes ao calor, especialmente as que contêm tungstênio e molibdênio com nióbio ou tântalo como componente principal. Segundo relatos, a antiga União Soviética também usava fornos de fusão por feixe de elétrons para fundir cobre e níquel. Além de ser usada para fundir materiais metálicos, como aço e ligas, a fusão por feixe de elétrons também pode ser usada para fundir cerâmica e vidro com diferentes propriedades.

As características da tecnologia de fusão por feixe de elétrons podem ser resumidas da seguinte forma:

(1) Como a fusão por feixe de elétrons é conduzida sob condições de vácuo, o estado de fusão do material pode ser controlado a qualquer momento e, assim, é possível obter materiais refratários de alta pureza.

(2) A alta densidade de energia do feixe de elétrons facilita o ajuste da densidade de energia da superfície da poça de fusão, controlando a convergência e a divergência do feixe, o que possibilita a fusão de metais refratários.

(3) O controle de automação é facilmente obtido, tornando-o seguro e confiável, especialmente com a aplicação da moderna tecnologia de computação, tecnologia eletrônica e tecnologia de automação. Isso facilita a extração e a obtenção de materiais de alta pureza a partir de materiais refratários.

(4) A composição química do material fundido pode ser controlada com precisão, permitindo a produção de metais refratários raros e materiais metálicos de alta pureza que atendem a requisitos específicos de desempenho.

No entanto, esse método de refusão tem algumas desvantagens, como baixa produtividade, estrutura complexa de equipamentos, necessidade de uso de fonte de alimentação CC de alta tensão e altos custos de investimento em equipamentos. Portanto, é difícil que esse método de fusão se torne o principal método de fusão especial. Do ponto de vista do custo de produção, a refusão por feixe de elétrons é a mais alta. Se o custo de produção de aço especial usando métodos de fusão comuns for considerado como 1, os custos de outros métodos de fusão para fundir a mesma capacidade e o mesmo tipo de aço são 1,75 para a refusão em forno elétrico a arco, 2,03 para a refusão a arco de plasma, 2,4 para a refusão a arco a vácuo e 2,72 para a refusão por feixe de elétrons.

7.2 Princípios básicos da refusão por feixe de elétrons

O princípio de funcionamento da refusão por feixe de elétrons é semelhante ao de um diodo de vácuo, em que o cátodo e o ânodo são colocados em uma câmara de vácuo e conectados aos polos negativo e positivo de uma fonte de alimentação CC, respectivamente. Quando o cátodo é aquecido por outra fonte de energia, a temperatura aumenta, e alguns elétrons livres no material do cátodo são excitados e emitidos devido ao calor.

Se o cátodo e o ânodo forem então conectados a uma fonte de alimentação CC de determinada tensão, os elétrons excitados são submetidos a uma determinada intensidade de campo elétrico e são acelerados e direcionados para o ânodo. No forno de refusão por feixe de elétrons, os elétrons em movimento rápido bombardeiam o material metálico do ânodo, e a energia cinética dos elétrons é convertida em energia térmica no ânodo, aquecendo-o e derretendo-o. O princípio do processo de refusão por feixe de elétrons é mostrado na Figura 7-2.

7.3 Equipamento principal do forno de refusão por feixe de elétrons

O forno de refusão por feixe de elétrons consiste em três partes principais: o corpo do forno, o sistema de vácuo e o sistema elétrico. O diagrama esquemático do equipamento de fusão é mostrado na Figura 7-3.

1. Sistema de geração de feixe de elétrons; 2. Válvula de vácuo; 3. Sistema de vácuo; 4. Sistema de foco e deflexão; 5. Câmara de trabalho; 6. Peça de trabalho; 7. Fonte de alimentação de alta tensão; 8. Fonte de alimentação da lente magnética; 9. Fonte de alimentação da bobina de deflexão; 10. Sistema de controle.

Nesta seção, serão apresentadas as partes principais do corpo do forno, com foco no canhão de elétrons. Além disso, há também a câmara de vácuo, o cristalizador e o mecanismo de alimentação e tração.

7.3.1 Pistola de elétrons

O canhão de elétrons é um componente essencial para gerar o feixe de elétrons no forno de refusão por feixe de elétrons. Ele tem várias formas estruturais, como o canhão axial, o canhão transversal e o canhão anular. Atualmente, o canhão axial é mais amplamente utilizado.

A forma externa do canhão axial é semelhante a um cilindro, e sua estrutura interna é mostrada na Figura 7-4. O diagrama de princípio e o modelo de simulação tridimensional do canhão de elétrons são mostrados nas Figuras 7-5 e 7-6, respectivamente. O feixe de elétrons é emitido pelo cátodo do bloco, acelerado pelo ânodo, focalizado pela bobina de focalização e direcionado para o metal aquecido a uma velocidade muito alta sob o controle da bobina de deflexão, derretendo assim o metal.

O canhão de elétrons é composto pelo elemento de emissão do feixe de elétrons, cátodo formador de feixe, ânodo de aceleração, coletor de íons, sistema de focalização do feixe de elétrons e sistema de deflexão do feixe de elétrons. O elemento de emissão do feixe de elétrons consiste em um cátodo de aquecimento 3 e um cátodo de emissão 4.

O cátodo de aquecimento é feito de fio de tungstênio enrolado em uma forma de espiral dupla. Quando a corrente CA de 40-50 A (tensão de 5 V) passa pelo fio de tungstênio, ele pode ser aquecido a cerca de 2800 ℃. A tensão entre o cátodo de aquecimento e o cátodo de emissão é de 1500 V CC, na qual os elétrons térmicos são emitidos pelo fio de tungstênio e atingem o cátodo de emissão sob o campo elétrico.

1. Pote de cerâmica isolante; 2. porta de bombeamento a vácuo; 3. filamento; 4. cátodo de bloco; 5. ânodo de aceleração; 6. entrada/saída de água de resfriamento; 7,9. Bobina de focalização;8. Feixe de elétrons; 10. Tubo guia; 11. Bobina de deflexão.

1. Fonte de alimentação de aquecimento do filamento; 2. Filamento; 3. Fonte de alimentação da bobina de deflexão; 4. Fonte de alimentação da tensão de aceleração; 5. Fonte de alimentação da bobina de focalização; 6. Feixe de elétrons; 7. bobina de focalização; 8. anodo (terra); 9. catodo.

1. Suporte de chumbo; 2. sistema de geração de feixe de elétrons; 3. conector em T; 4,5. Primeira e segunda lente magnética; 6. válvula de vácuo; 7. sistema de deflexão magnética.

7.3.2 Cristalizador

O cristalizador do forno de feixe de elétrons é semelhante ao do forno a arco a vácuo, que é feito de cobre roxo e resfriado a água. O fundo do cristalizador tem dois tipos: fixo e móvel (usado para puxar lingotes). Além disso, a seção transversal da cavidade interna do cristalizador pode ser feita em forma de círculo, anel ou retângulo, de acordo com os diferentes requisitos do produto metálico.

7.3.3 Dispositivo de alimentação

O forno de feixe de elétrons é um tipo de equipamento que derrete e solidifica ao mesmo tempo. Quando a haste de metal é derretida continuamente, a haste não derretida deve ser empurrada imediatamente para a área de bombardeio do feixe de elétrons. O mecanismo de alimentação é acionado principalmente por transmissão mecânica. Há dois tipos de dispositivos de alimentação: longitudinal e transversal, e há também um tipo transversal com alimentação alternada em dois lados.

7.3.4 Mecanismo de tração

No caso do cristalizador com fundo móvel, é necessário instalar um mecanismo de tração. Isso ocorre porque, quando o metal no cristalizador continua a se solidificar, o lingote de metal já solidificado precisa ser continuamente puxado para baixo para manter uma certa altura da poça de fusão. O mecanismo de tração do forno de feixe de elétrons pode adotar transmissão mecânica ou transmissão hidráulica.

7.4 Processo de refusão por feixe de elétrons e suas características metalúrgicas

7.4.1 Processo de refusão por feixe de elétrons

(1) Antes de iniciar o forno, é necessário inspecionar cuidadosamente todas as partes do forno para evitar acidentes ou manutenção a quente causada por perigos ocultos no equipamento. Por outro lado, os materiais do forno a serem fundidos novamente devem ser preparados.

(2) Antes da fusão, instale o cristalizador e o material da haste e, em seguida, sele o forno e evacue. Quando o grau de vácuo no forno atingir (1~3)×10mmHg (0,00133~0,00399Pa), comece a aquecer o cátodo e resfrie-o com água ao mesmo tempo.

(3) A potência não deve ser muito alta ao começar a aplicar a potência. Aumente gradualmente a potência quando houver uma certa quantidade de metal líquido no cristalizador e a piscina de metal tiver uma certa profundidade, atingindo a taxa de fusão normal.

(4) Durante o processo de refusão, deve-se prestar atenção especial para evitar que o feixe de elétrons atinja a parede do cristalizador e a danifique, causando acidentes. Durante o processo de refusão, o momento de puxar deve ser determinado com base no nível de líquido da piscina de metal, prestando atenção também à coordenação entre a velocidade de puxar e a taxa de fusão do metal.

7.4.2 Características metalúrgicas da refusão por feixe de elétrons

O método de refusão por feixe de elétrons é um método de fusão que purifica e refina o aço ou as ligas sob condições de alto vácuo e alta temperatura. Em comparação com outros métodos especiais de fusão de aço e ligas, ele tem as seguintes características:

(1) A refusão por feixe de elétrons é realizada em condições de vácuo muito alto (até ~0,00133Pa). Ele tem um grau de vácuo muito mais alto do que o forno de indução a vácuo e o forno a arco a vácuo. Portanto, é muito mais completo e minucioso na remoção de gases, inclusões não metálicas e certos elementos nocivos dos metais, e a taxa de reação de purificação e refinamento é maior do que a de outros fornos a vácuo.

(2) Durante o processo de refusão, é possível ajustar a potência de fusão dos materiais do forno e a potência de aquecimento da poça de fusão separadamente. Portanto, quando a taxa de fusão muda, a temperatura necessária da poça de fusão ainda pode ser mantida.

(3) Como o feixe de elétrons liberado no ânodo tem energia muito alta, a poça de fusão do metal pode atingir uma temperatura muito alta (a temperatura da superfície da poça de fusão pode chegar a 1850°C). Isso não apenas favorece a reação de purificação durante o processo de refusão, mas também é aplicável para a fusão de metais de alto ponto de fusão, como tântalo, nióbio, tungstênio e molibdênio.

(4) A capacidade de controle do feixe de elétrons é boa, de modo que a posição de aquecimento da poça de fusão pode ser controlada pelo controle do feixe de elétrons, garantindo assim uma distribuição uniforme da temperatura da poça de fusão. Isso ajudará a obter lingotes de metal com excelente qualidade de superfície e estrutura cristalina.

(5) O forno de feixe de elétrons não só pode fundir materiais em barra, mas também pode ser projetado para fundir blocos, cavacos ou materiais metálicos em pó.

7.5 Efeito da refusão por feixe de elétrons

Os materiais refundidos por feixe de elétrons têm alta qualidade e podem reduzir o conteúdo de elementos de baixo ponto de fusão e de fácil evaporação a um nível muito baixo. Pode ser usado para fundição e purificação dos seguintes metais: produção de lingotes de titânio e níquel para processamento a frio com superfície lisa e plasticidade suficiente; produção de lingotes de tungstênio e molibdênio da mais alta pureza; em comparação com o chumbo derretido por forno a arco a vácuo, o chumbo refinado tem maior pureza, podendo ser usado para componentes de controle de reatores de submarinos nucleares; lingotes de vanádio refinados podem ser usados para fabricar peças de reatores de submarinos nucleares.

A principal vantagem da fusão por feixe de elétrons para o aço é que ela reduz bastante as impurezas metálicas e não metálicas e os elementos de impureza. A fusão de fluxo contínuo ou o refino em leito frio de aços especiais e ligas super-resistentes ao calor podem reduzir bastante os custos de produção.

7.5.1 Remoção de gás e inclusões em metais

A maior característica da fusão por feixe de elétrons é que ela pode manter alto vácuo, alta temperatura e metal líquido por um longo período. Portanto, é muito vantajoso para remover gases, elementos de impureza e seus óxidos de baixa valência. Por meio de experimentos com diferentes materiais, também foi comprovado que o material obtido após a refusão por feixe de elétrons tem a mais alta pureza, o que pode melhorar e aprimorar muito o desempenho dos metais. O método de refusão por feixe de elétrons não só tem boa capacidade de desgaseificação para ligas, mas também para metais puros. Para alguns metais para fins especiais, é possível obter uma pureza ainda maior por meio de vários métodos de refusão.

O teor de gás no metal após a refusão está relacionado ao número de vezes de refusão e ao tempo de cada refusão. Quanto mais longo for o tempo de refusão, menor será o teor de oxigênio e nitrogênio no metal. No entanto, estender o tempo de refusão significa reduzir a taxa de fusão, o que diminuirá a taxa de produção e aumentará os custos de produção, portanto, isso deve ser considerado de forma abrangente.

O método de refusão por feixe de elétrons também tem um efeito ideal na remoção de inclusões não metálicas de metais.

7.5.2 Melhoria das propriedades do metal

Devido à capacidade da refusão por feixe de elétrons de reduzir significativamente o conteúdo de gases e inclusões nos metais e melhorar as condições de solidificação, as propriedades dos metais refundidos são significativamente aprimoradas. De acordo com relatórios, após a refusão por feixe de elétrons, o teor de nitrogênio, hidrogênio e oxigênio em ligas resistentes ao calor é reduzido em 60-70%, 40-50% e 70-80%, respectivamente, e o desempenho da liga é significativamente melhorado. Na refusão de aço estrutural por feixe de elétrons, em comparação com os métodos de fusão comuns, o alongamento do material aumentou em 35%, o encolhimento da seção transversal aumentou em 65% e o coeficiente isotrópico aumentou de 0,6 para 0,9.

8. Comparação e seleção de processos de fundição

8.1 Processo típico de fusão de ligas de expansão

A liga de expansão refere-se a um tipo de liga que é selada com vidro ou materiais cerâmicos. Existem 29 graus e várias especificações desse tipo de liga na China. As principais ligas para vedação com vidro são 4J29, 4J49, 4J52, 4J54 e 4J6, enquanto as principais ligas para vedação com cerâmica são 4J33 e 4J34.

Entre eles, o 4J29 pertence a uma liga de expansão fixa, que tem um determinado coeficiente de expansão linear na faixa de -60℃ a +400℃. É usada para combinar e vedar com vidro duro e é amplamente utilizada como material estrutural de vedação no setor de vácuo elétrico. Seu uso é relativamente grande, com a demanda doméstica atingindo centenas de toneladas por ano, e o principal método de fornecimento de produtos são as tiras.

O 4J36 é uma liga de baixa expansão, que tem um coeficiente de expansão muito baixo na faixa de 0℃ a +100℃ e -60℃ a +100℃. É usado para fabricar componentes com dimensões que são aproximadamente constantes dentro da faixa de mudanças de temperatura e é amplamente usado em setores como o de rádio, instrumentos de precisão, instrumentação e outros.

8.1.1 Normas relevantes para ligas de expansão

Os requisitos de composição e os indicadores relacionados para alguns tipos de ligas de expansão são mostrados nas Tabelas 8-1, 8-2, 8-3 e 8-4.

Tabela 8-1 Requisitos para a composição da liga de expansão

Tabela 8-2 Requisitos de composição para a liga 4J36

Tabela 8-3 Relação entre permeabilidade e temperatura da liga 4J36

Tabela 8-4 Propriedades mecânicas da liga 4J36 em temperatura ambiente

8.1.2 Refino da liga de expansão 4J36

As formas de produto da liga de expansão incluem principalmente fios, tiras, tubos e estoque de barras redondas. A forma mais usada é a tira, e os principais equipamentos utilizados na produção incluem fornos elétricos, martelos de forjamento (3 a 5 t), moinhos de corte, fornos de recozimento, máquinas de endireitamento e retificadoras, soldagem a arco de argôniolaminadores a frio de quatro rolos (multi-rolos), fornos de recozimento contínuo, equipamentos de tratamento de superfície, etc.

8.2 Processos típicos de fusão de ligas magnéticas macias

Desde a descoberta inicial das ligas de ferro-níquel no século XIX até a série subsequente de estudos experimentais no século XX, bem como o uso do refino a vácuo, as propriedades das ligas foram bastante aprimoradas. Com o aprofundamento da pesquisa e as necessidades de aplicações práticas, outros elementos, como molibdênio, cobre e cromo, foram adicionados aos sistemas binários, criando assim uma série de materiais, como a famosa liga super-Invar, a liga de cobre-permalloy com maior permeabilidade inicial e a liga de cromo níquel-ferro com maior resistividade elétrica. Dois parâmetros fundamentais são: a constante de anisotropia do cristal magnético K e a constante de magnetostricção λ, que determinam o processo de magnetização técnica e as propriedades magnéticas da liga.

Ligas magnéticas macias de ferro-níquel. As características dessas ligas incluem principalmente: alta permeabilidade e força coercitiva muito pequena em campos magnéticos fracos (ou médios); bom desempenho de processamento, podem ser transformadas em dispositivos de formato complexo; boa resistência à ferrugem; alguns materiais têm propriedades magnéticas especiais após processamento específico, como loops de histerese retangulares, magnetismo residual muito baixo ou permeabilidade constante em uma faixa considerável de campos magnéticos.

8.2.1 Composição química das ligas relevantes

A Tabela 8-5 mostra os requisitos de composição química de algumas ligas magnéticas macias típicas.

Tabela 8-5 Composição química (%) de ligas magnéticas macias

8.2.2 Características de desempenho da liga magnética macia 1J86

A liga 1J86 contém principalmente 81% de níquel e 6% de molibdênio. Essa liga tem maior μi e menor Hc em comparação com a 1J77 e a 1J85, e seu valor de μm é próximo a elas. Como a liga contém molibdênio 6%, a resistividade é maior, o que melhora o desempenho magnético em frequências mais altas. Para obter propriedades magnéticas estáticas mais altas, nenhum silício ou manganês é adicionado à liga, pois sua influência nas propriedades magnéticas é menos significativa do que a do níquel e do molibdênio. A adição de manganês 1% e de uma pequena quantidade de silício à liga tem o objetivo de melhorar a estabilidade da temperatura e a trabalhabilidade a quente da liga.

8.3 Processo de fundição de ligas de alta temperatura

8.3.1 Composição química das ligas relevantes

A Tabela 8-6 mostra a composição química necessária de algumas ligas típicas de alta temperatura.

8.3.2 Processo de fundição de ligas de alta temperatura

Para garantir que as ligas de alta temperatura tenham as propriedades necessárias de resistência a altas temperaturas e resistência à corrosão, a liga deve ter uma determinada composição química, pureza e microestrutura adequada, e a composição e a pureza da liga dependem da tecnologia de fundição. Portanto, o processo de fundição é um elo fundamental no processo de produção de ligas de alta temperatura.

Devido ao alto grau de liga, as ligas de alta temperatura contêm uma grande quantidade de elementos pesados, como tungstênio, molibdênio, nióbio e cromo, além de elementos facilmente oxidáveis, como alumínio, titânio e boro. Essas características determinam que as ligas de alta temperatura tenham requisitos rigorosos para os processos de fundição e, em geral, usem a fundição a vácuo. Atualmente, a maioria das ligas é derretida em fornos de indução a vácuo ou em fornos de indução atmosférica e, em seguida, passa por um forno consumível a vácuo ou por refusão por eletroescória para melhorar sua pureza e obter boa microestrutura e propriedades.

Os equipamentos nacionais e estrangeiros para a fundição de ligas de alta temperatura incluem fornos a arco, fornos de indução, fornos de indução a vácuo, fornos a arco a vácuo e fornos de eletroescória. Além disso, há fornos de feixe de elétrons e fornos de plasma.

Nos muitos anos de prática de produção da China, a exploração e o desenvolvimento contínuos levaram a várias combinações de métodos de fundição, desde a fundição inicial em forno a arco até o processo de fundição atual, conforme mostrado na Tabela 8-7.

Tabela 8-7 Rota de processo para fusão de ligas típicas de alta temperatura à base de Ni e à base de Fe

8.3.3 Seleção de rotas de processos metalúrgicos

Para fundição especial, há muitas opções comuns para esquemas de fluxo de processo. É possível usar um único método de fundição para fundir diretamente ou adotar um processo duplo ou triplo. O esquema de processo adequado deve ser selecionado de acordo com a variedade e a qualidade da fundição. As vantagens e desvantagens dos diferentes métodos de fundição precisam ser consideradas de forma abrangente em relação a aspectos como consumo de energia, investimento em equipamentos, indicadores técnicos e econômicos e qualidade da fundição.

Tabela 8-8 Fluxos comuns do processo de fundição especial