Fundição especial: Tudo o que precisa de saber

1. Introdução

1.1 Desenvolvimento da fundição de especialidade

A fusão especial é um método especial e eficaz para produzir 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 domínios científico e tecnológico, etc.

O rápido progresso da tecnologia eletrónica contemporânea, da tecnologia aeroespacial, da tecnologia de navegação e de energia e de outros domínios tem suscitado requisitos cada vez mais elevados em termos de qualidade e variedade de aço e ligas.

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

No entanto, os métodos de fusão convencionais, como o conversor, o forno de soleira aberta e o forno de arco, são difíceis de satisfazer os requisitos actuais e não podem fornecer produtos de qualidade tão elevada, o que exige a utilização de métodos de fusão especiais.

Os métodos comuns de fusão especializada incluem a fusão por indução, a metalurgia por electroescória, arco de plasma fusão, refusão por arco em vácuo e processo de fusão por feixe de electrões.

(1) Fusão por indução

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

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 de vácuo e forno de indução de plasma e outros fornos para diferentes fins.

Os fornos de alta frequência são utilizados principalmente para a fundição de ferro fundido, os fornos de alta frequência são utilizados principalmente para investigação laboratorial, enquanto os fornos de média frequência são utilizados principalmente para a produção de aço e ligas de alta qualidade, com vantagens de velocidade de fusão rápida, elevada eficiência de produção, forte adaptabilidade, utilização flexível, bom efeito de agitação electromagnética e operação de arranque conveniente.

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

(2) Metalurgia das escórias eléctricas

A metalurgia das escórias eléctricas é um método de fusão especial que utiliza o calor gerado pela resistência das escórias provocada pela passagem da corrente através das escórias líquidas para aquecer e refinar o metal.

O seu núcleo é a refundição por electroescória (ESR), que visa purificar ainda mais o aço e as ligas e melhorar a estrutura cristalina dos lingotes com base na refinação inicial, obtendo assim produtos metálicos de alta qualidade.

A refusão por electroescória é adequada para a produção de peças forjadas de média e grande dimensão. 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 consideravelmente a qualidade do produto, bem como as suas propriedades mecânicas, desempenho de processamento e usabilidade.

(3) Fusão por arco sob vácuo

A fusão por arco sob vácuo pode formar um baixo potencial de oxigénio e condições de fusão a alta temperatura, pelo que foi utilizada já no século passado para a fusão de metais refractários ou oxidáveis, como a platina, o tântalo e o tungsténio.

Com o desenvolvimento da indústria mecânica, o método de refusão por arco com elétrodo consumível em vácuo tem sido aplicado com êxito na produção de titânio e suas ligas, ligas de precisão, ligas de alta temperatura e metais refractários.

Este método de fusão desenvolveu-se rapidamente nas décadas de 1940 e 1950, com capacidades cada vez maiores. Até à data, na fundição especializada, a fusão por arco sob vácuo continua a ser um dos principais métodos de refusão e de refinação.

(4) Fusão por feixe de electrões

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

Começou com a fundição de metais refractários (tântalo, nióbio, háfnio, tungsténio, molibdénio, etc.) e expandiu-se agora para a produção de materiais semicondutores, ligas magnéticas de alto desempenho e alguns aços especiais, tais como aço para rolamentosaço inoxidável resistente à corrosão e ferro puro de carbono ultra-baixo.

Além disso, os fornos de refusão por feixe de electrões podem também ser utilizados para fundir certas ligas resistentes ao calor, especialmente ligas contendo tungsténio e molibdénio com nióbio ou tântalo como componente principal.

(5) Fusão por arco de plasma

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

As vantagens potenciais da utilização de um arco de plasma como fonte de calor metalúrgico são: energia concentrada, alta temperatura (5000-300.000 K), fluxo rápido de iões (100-500 m/s), aquecimento rápido e reação rápida, etc. O gás encontra-se num estado ionizado e a atividade de reação é forte.

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

Sob a ação do arco de plasma de alta temperatura, as impurezas como o S, P, Pb, Bi, Sn e As são fáceis de volatilizar. Pode fundir-se materiais metálicos e também fundir materiais não metálicos.

1.2 Principais produtos produzidos pelas instalações de fusão especiais

A fundição especial é um método especial e eficaz para produzir ligas avançadas, tais como aço especial, ligas de alta temperatura, ligas de precisão, aço de alta liga, metais refractários 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 principalmente utilizada para fabricar materiais importantes, tais como instrumentos de precisão, controlos, telemetria, aparelhos eléctricos, acessórios e dispositivos electrónicos no sector aeroespacial, bem como sensores e transdutores em sistemas de armamento, com base nas suas propriedades físicas e não em componentes estruturais.

Na China, a letra "J" é utilizada antes de um número para indicar a categoria da 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 foguetões. Tem uma maior resistência à deformação por fluência e à fratura por fluência, bem como resistência à corrosão e ao choque térmico.

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

(1) Controlo de componentes:

Para além do controlo de C, Mn, Si, P, S, que são normalmente controlados na produção de aço, o controlo de componentes inclui também o controlo de elementos de liga como Cr, Ni, Mo, W, Nb, V, Al, Ti, e oligoelementos B, Ce, La, Zr, Mg, Ca, Hf, Y, Sm. A possibilidade de controlar a composição de forma óptima depende em grande medida do processo de fundição.

(2) Pureza:

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

1. Impurezas não metálicas

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

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

Para Ce, Br, I, etc., algumas normas técnicas estipulam que devem ser inferiores a 0,0025%.

2. Gás

Em geral, quanto menor for o teor de oxigénio, hidrogénio e azoto no aço e ligas, melhor será o seu desempenho.

3. Inclusões não metálicas

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

Por conseguinte, o conteúdo e o estado de distribuição das inclusões não metálicas são um dos indicadores importantes para avaliar a qualidade do aço e das ligas, e a inspeção convencional utiliza o método de comparação de graus normalizado.

4. Impurezas metálicas

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

5. Estrutura do molde

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

A estrutura de fundição de bons produtos metalúrgicos deve ter as seguintes condições: as especificações cumprem os requisitos; a qualidade da superfície é boa; a contração é pequena; 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 dos aços e ligas

(1) O controlo dos componentes afecta o desempenho do aço e das ligas.

Os diferentes métodos de fundição têm diferentes graus de controlo dos componentes, sendo que os fornos de arco a vácuo controlam melhor os elementos facilmente oxidáveis e a refusão por escória eléctrica tem menos perdas de elementos voláteis.

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

A fusão a vácuo tem um baixo teor de impurezas metálicas nocivas e de oxigénio, e a refusão por electroescória tem uma boa capacidade de dessulfuração e de remoção de inclusões de óxido.

(3) O controlo da microestrutura afecta o desempenho do aço e das ligas.

Os lingotes de refusão por electroescória têm um desenvolvimento de eixo cristalino colunar e baixa segregação de porosidade.

2. Fusão em forno de indução

2.1 Princípio de funcionamento do forno de indução e equipamento

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 funcionarem a baixa frequência, frequência intermédia ou alta frequência, o seu circuito básico é composto por uma fonte de alimentação variável, condensadores, 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 seguintes: em primeiro lugar, a lei de Faraday da indução electromagnética.

        E=B-L-v-sin∠（v-B） (2-1)

onde L é o comprimento do fio no campo magnético;

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

A outra lei fundamental é a lei de Joule-Lenz. Esta lei é também conhecida como o princípio do efeito térmico elétrico. A lei de Joule-Lenz pode ser expressa sob a 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 através da bobina de indução de um forno de indução sem núcleo, é gerado um campo magnético alternado no espaço que rodeia a bobina de indução e as suas imediações.

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

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

Por conseguinte, será gerada uma força eletromotriz induzida (E) nos materiais do forno metálico, e a sua magnitude pode ser determinada pela seguinte equação:

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, normalmente n=1;

A partir da equação acima, pode ver-se que, para gerar uma maior tensão induzida nos materiais do forno, pode utilizar-se teoricamente um aumento do fluxo magnético, da frequência e do número de espiras.

No entanto, uma vez que as linhas de campo magnético geradas após a bobina de indução ser energizada são forçadas a passar através do ar (no caso de um forno de indução sem núcleo), e o ar tem uma elevada 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.

Por conseguinte, para aumentar a tensão induzida, é preferível utilizar o método de aumento da frequência.

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

em que R é a resistência efectiva do material do forno metálico, 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, isto é, da magnitude do fluxo magnético que passa através do material do forno e da freqüência da corrente alternada que flui através dele. A magnitude da corrente induzida depende do tamanho do bloco de material do forno.

(2) Agitação electromagnética

Quando uma corrente induzida flui através do material do forno, este será inevitavelmente sujeito a forças electromagnéticas, causando um movimento direcional do material metálico do forno, ou seja, o efeito de "agitação electromagnética". As suas vantagens são as seguintes:

1) temperatura uniforme do metal líquido.

2) Homogeneização do líquido metálico.

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

2.1.2 Equipamento de trabalho do forno de indução

Os fornos de indução podem ser divididos em dois tipos: os fornos sem núcleo e os fornos com núcleo, sendo estes últimos raramente utilizados na produção de aço, pelo que não serão aqui abordados. No que respeita aos fornos de indução sem núcleo, podem geralmente ser classificados em três tipos, de acordo com a frequência de alimentação o forno de linha (com uma frequência de 50 ou 60 Hz), que está diretamente ligado à rede eléctrica através de um transformador e é utilizado principalmente para a fusão de ferro fundido; o forno de alta frequência (com uma gama de frequências de 10KHz a 300KHz), que utiliza um oscilador de tubo eletrónico de alta frequência e é utilizado principalmente para pequenas investigações laboratoriais; e o forno de média frequência (com uma gama de frequências de 150Hz a 10000Hz), que utiliza um grupo gerador de média frequência, um triplicador ou um tiristor estático conversor de frequência.

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

2.2 Características da fusão em forno de indução

(1) Aquecimento por indução electromagnética. Como o método de aquecimento é diferente, os fornos de indução não requerem eléctrodos de grafite necessários para o aquecimento por arco elétrico, nem zonas de sobreaquecimento localizadas sob o arco, eliminando assim a possibilidade de aumento de carbono nos eléctrodos. Os fornos de indução podem fundir aço com baixo teor de carbono e ligas que são difíceis de fundir em fornos de arco elétrico, criando condições favoráveis para a produção de produtos com baixo teor de gás.

(2) Existe um certo nível de agitação electromagnética na poça de fusão. A agitação do metal causada pela indução electromagnética promove a uniformidade da composição e da temperatura, a coalescência das inclusões, o crescimento e a flutuação do aço. A perda de elementos de liga durante o processo de fusão no forno de indução é relativamente pequena, pelo que a composição prevista é mais precisa, o que favorece o controlo dos componentes e reduz o tempo de fusão.

(3) O rácio da área de superfície da poça de fusão é pequeno. Este facto é vantajoso para reduzir a perda de elementos facilmente oxidáveis no metal fundido e para reduzir a absorção de gases. Por conseguinte, 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, é propenso a formar uma fluidez fraca, baixa resistência à reação, o que não é propício à reação metalúrgica na interface da escória e do aço. Por este motivo, os requisitos para as 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 convenientemente ajustada. Assim, a temperatura de fusão da poça de fusão pode ser controlada com maior precisão, o forno pode ser isolado e o aço pode ser produzido várias vezes, criando condições para a fusão de produtos com diferentes composições num único lote.

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

(6) Elevada eficiência térmica. O método de aquecimento dos fornos de indução e a pequena área de superfície resultam numa menor dissipação de calor, pelo que a eficiência térmica dos fornos de indução é superior à dos fornos eléctricos de arco. No entanto, a eficiência eléctrica dos fornos de indução é inferior à dos fornos eléctricos de arco, pelo que a eficiência total dos dois tipos de fornos eléctricos é semelhante.

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

(8) Consome mais material refratário do que os fornos eléctricos de arco e tem uma vida útil do cadinho mais curta. A necessidade de materiais refractários no cadinho é elevada, pelo que o custo dos materiais refractários por tonelada de aço é também superior ao dos fornos eléctricos de arco.

2.3 Princípios de fusão do forno de indução

2.3.1 Oxidação e desoxidação de elementos

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

(1) Capacidade de desoxidação dos elementos

O grau de dificuldade de oxidação de vários elementos é designado por estado de oxidação, também conhecido por capacidade de desoxidação. Refere-se ao teor residual de oxigénio dissolvido no aço em equilíbrio com uma determinada concentração de elementos desoxidantes a uma determinada temperatura e pressão. Quanto mais baixo for o teor de oxigénio, mais forte é a capacidade de desoxidação deste 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 não solúveis no aço fundido e o teor de elementos metálicos e o oxigénio é baixo no aço fundido, então temos:

Na fórmula, a_MxOy representa a atividade do óxido obtido por desoxidação do elemento, a_[M] representa a atividade do elemento desoxidante no aço, e a_[O] representa a atividade do oxigénio no aço. Quando o produto da desoxidação é um óxido puro ou num 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 de KM pode ser utilizada para determinar a capacidade de desoxidação de um elemento. Quanto menor for o valor de KM, mais forte é a capacidade de desoxidação do elemento. A Figura 2-7 e a Tabela 2-8 fornecem uma comparação das habilidades de desoxidação de elementos em ferro fundido e níquel a uma temperatura de 1600 ℃. Geralmente, no ferro fundido a 1600 ℃, a ordem da capacidade de desoxidação do mais forte ao mais fraco é: Ba → Ca → Ce → La → Mg → Zr → Al → Ti → B → Si → Mn → W → Fe.

(2) Efeitos de desoxidação e factores que influenciam os elementos

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

2. Propriedades físicas dos elementos desoxidantes: Estas incluem o ponto de fusão, a gravidade específica, o ponto de ebulição (pressão de vapor) e a solubilidade no 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 líquidos compostos de baixo ponto de fusão com óxidos de alto ponto de fusão, bem como a solubilidade no líquido de aço, têm um impacto significativo no efeito de desoxidação.

(3) Características dos elementos desoxidantes e dos desoxidantes compostos:

1. Desoxidação do alumínio e desoxidação simultânea com alumínio, manganês ou silício e manganês: O alumínio é um forte desoxidante com elevada afinidade para o oxigénio, mas a sua capacidade de desoxidação é inferior à do cálcio, magnésio, bário, elementos de terras raras e superior à do silício, manganês, titânio e outros elementos.

2. Características do cálcio e das ligas de cálcio para a 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 no 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 dessulfuração, 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 da distribuição da energia, durante a desoxidação por difusão, o oxigénio pode dissolver-se simultaneamente na escória e no aço líquido. A uma determinada temperatura, existe a seguinte relação de equilíbrio:

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

Neste momento, a relação da concentração de oxigénio entre a escória e o líquido de aço deve ser constante, ou seja

Factores que afectam a desoxidação por difusão:

a) O efeito da temperatura na eficiência da desoxidação por difusão. O impacto da temperatura no teor máximo de oxigénio 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 contacto das escórias de aço.

c) A influência da composição da escória.

(2) Desoxidação por precipitação:

Princípio da desoxidação por precipitação: A desoxidação por precipitação consiste na adição ao aço fundido de elementos com uma afinidade pelo oxigénio superior à do ferro, com o objetivo de reagir com o oxigénio dissolvido para formar um óxido insolúvel no aço fundido. O óxido é então removido do aço fundido por flutuação, reduzindo assim o teor de oxigénio do aço fundido.

Tipos e gama de aplicações dos desoxidantes de precipitação: Os desoxidantes de precipitação habitualmente utilizados 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. Ao utilizar desoxidantes compostos contendo elementos desoxidantes fortes, como cálcio, bário e magnésio, para reduzir o teor total de oxigénio, pode ser obtido um aço líquido com um teor total de oxigénio de ≤0,003%. Só através da utilização combinada de diferentes desoxidantes é possível obter um aço de elevada pureza.

2.3.3 Dessulfuração de ligas

Essencialmente, a dessulfuração da liga envolve a conversão do enxofre dissolvido no ferro fundido num composto de elevado ponto de fusão (como CaS, MgS, CeS) ou num óxido de sulfureto. A solubilidade destes sulfuretos no ferro fundido é muito inferior à do sulfureto de ferro, assegurando a remoção ou a dispersão do enxofre do aço. Os principais métodos de dessulfuração são a utilização de agentes de refinação ou a reação de escórias.

(1) Dessulfuração de agentes de refinação

O princípio básico da dessulfuração do agente de refinação consiste em utilizar substâncias com uma elevada afinidade para o enxofre para formar sulfuretos. Estes sulfuretos são insolúveis ou têm uma solubilidade muito baixa no ferro fundido e têm uma 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. À mesma temperatura, quanto menor for o valor da energia livre padrão, maior será 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) Dessulfuração por reação de escórias

A dessulfuração por reação das escórias só pode ser efectuada num forno de indução alcalino. O processo de dessulfuração pode ser dividido nas três etapas seguintes:

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

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

3. Os átomos de enxofre gerados difundem-se na escória e os átomos de oxigénio gerados difundem-se no aço. Empiricamente, a velocidade da reação de dessulfuração é determinada pela difusão dos iões 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 elevada é mais favorável à dessulfuração. No entanto, quando a alcalinidade é demasiado elevada, a taxa de dessulfuração pode ser limitada devido ao aumento do ponto de fusão e da viscosidade da escória, o que não é propício à dessulfuração. Quando o teor de oxigénio no metal fundido é baixo, o teor de óxido de ferro na escória também é baixo, o que é favorável à dessulfuração. Experimentos mostraram que existe uma relação entre o conteúdo de equilíbrio de enxofre e oxigênio no ferro fundido puro a 1600 ℃: [S]/[O] = 4. O aumento da temperatura é favorável à dessulfuração, não apenas 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 no aço podem destruir a continuidade da matriz do aço, enfraquecer as forças interatómicas, promover a concentração de tensões e conduzir à formação de fissuras. Degradam seriamente as propriedades mecânicas do aço, reduzindo especialmente a sua plasticidade, a resistência ao impacto, o desempenho à fadiga e mesmo algumas propriedades físicas durante o processamento a frio e a quente das ligas. Este efeito não está apenas relacionado com o seu conteúdo, mas também com a sua forma e tamanho.

O hidrogénio e o azoto residuais nas ligas, para além de formarem hidretos e nitretos, são também susceptíveis de provocar fenómenos como as manchas brancas, fragilização por hidrogénioe envelhecimento. O [H] e o [N] precipitados na forma gasosa podem formar poros na lingote de açoe podem facilmente causar defeitos como bolhas subcutâneas durante a laminagem da tira. Os fornos de indução atmosférica utilizam métodos de flutuação para remover as inclusões. Quando a densidade das inclusões não metálicas é inferior à do metal fundido, as inclusões flutuam para a interface entre o metal fundido e a escória sob efeito de flutuação e são absorvidas pela escória.

A velocidade ascendente das inclusões pode ser calculada utilizando a lei de Stokes.

2.4 Matérias-primas para a fundição em forno de indução

Requisitos para as matérias-primas: A composição química dos materiais de entrada deve ser exacta; os materiais metálicos devem estar limpos, secos, isentos de óleo e ferrugem; o tamanho do bloco é adequado; todos os materiais devem ser armazenados num ambiente seco.

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

Cálculo dos ingredientes:

Com base na composição da carga e na composição-alvo do produto fundido, calcular o peso de cada tipo de matéria-prima a adicionar ao forno.

Uma vez que 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 exactos para calcular a taxa de recuperação dos elementos de liga.

2.5 Cadinhos para 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 para fornos de indução podem ser classificados em três tipos com base nos seus materiais: alcalinos, ácidos e neutros. O aglutinante mais utilizado é o ácido bórico.

O papel 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 variação de volume do cadinho.

Os cadinhos também podem ser classificados com base nos seus métodos de fabrico: cadinhos pré-fabricados, cadinhos formados in situ e cadinhos revestidos com tijolos refractários.

(2) Requisitos de qualidade para cadinhos

Os principais requisitos para os materiais refractários dos cadinhos incluem

Elevada refractariedade e resistência estrutural a altas temperaturas.

Boa resistência ao aquecimento/arrefecimento rápido.

Boa resistência à corrosão por escórias.

Condutividade térmica tão baixa quanto possível.

Bom desempenho de isolamento.

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

2.5.2 Preparação dos cadinhos

(1) Rácio de dimensão das partículas:

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

O rácio do tamanho das partículas dos cadinhos de magnésia com a mesma capacidade

(2) Métodos de moldagem

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

(3) Fabrico de cadinhos

Para cadinhos formados externamente, o fabrico refere-se à forma como o cadinho é instalado na bobina de indução e como a boca do forno é reparada. Aqui, apresentamos o processo de fabrico de cadinhos formados internamente. O trabalho de preparação antes da produção inclui a preparação e mistura da areia, a limpeza e inspeção da bobina de indução, a preparação do molde do cadinho e a preparação das ferramentas e equipamento de moldagem.

Antes de cada cadinho ser fabricado, a bobina de indução é verificada quanto a fugas, infiltrações de água, danos no isolamento e se os fixadores entre a bobina de indução e as voltas são fiáveis e firmes.

O molde refere-se principalmente ao núcleo do cadinho, que é utilizado para controlar a forma e o volume no interior do cadinho. O núcleo do cadinho do forno de indução é soldado com placas de aço ou feito de grafite.

Núcleo de grafite Máquina de moldagem vibratória

(4) Sinterização em cadinho

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

Processo: A superfície de contacto do material de areia é aquecida a uma temperatura elevada para formar uma rede de sinterização contínua através da ligação em fase líquida, que liga todo o material de areia num todo.

Métodos de sinterização: Sinterização a alta temperatura e sinterização a baixa temperatura.

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

Fase 1: Temperatura de sinterização a 850 ℃, principalmente para a reação de desidratação do material de areia e decomposição do carbonato.

Estágio 2: Temperatura de sinterização entre 850-1500 ℃, 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 esta fase.

Estágio 3: Temperatura de sinterização entre 1500-1700 ℃, 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 esta fase.

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

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

Fase 1: Temperatura a 850 ℃, principalmente para reação de desidratação e decomposição de carbonato, com uma taxa de aquecimento lenta.

Estágio 2: Temperatura entre 850 ℃ -1400 ℃, 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 ℃ -1400 ℃, para continuar a aumentar a espessura da camada de sinterização do cadinho preliminarmente sinterizado e alcançar a estrutura de sinterização ideal.

2.6 Processo de fusão em forno de indução

2.6.1 Processo de fusão

A sucata de aço utilizada para a fusão contém normalmente uma certa quantidade de humidade e contaminação por óleo. Não é seguro adicionar diretamente este tipo de material ao forno, especialmente no caso de uma poça de fusão já formada, uma vez que tal conduz frequentemente a salpicos. Ao mesmo tempo, é também uma das principais fontes de oxigénio no produto.

Por conseguinte, algumas fábricas criam sistemas de pré-aquecimento ou de secagem para a sucata de aço, utilizando métodos de aquecimento para remover a humidade e a contaminação por óleo fixadas na sucata de aço, a fim de garantir uma utilização segura e evitar a introdução de hidrogénio. Além disso, a adição de sucata de aço pré-aquecida pode encurtar o tempo de fusão e reduzir o consumo de energia.

(1) Carregamento

Necessidades de matérias-primas:

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

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

c. Dimensão adequada 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 no fundo do forno；

Algumas ligas ou materiais de aço com pontos de fusão mais baixos do que outros devem ser carregados primeiro no fundo do forno；

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

A zona de baixa temperatura no topo do cadinho deve ser carregada principalmente com materiais de aço；

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

(2) Fusão

A fusão do material do forno está diretamente relacionada com a alteração do teor de gás no metal líquido e com a recuperação dos elementos de liga, afectando também indicadores técnicos como o tempo de fusão, a vida do cadinho e o consumo de energia. O período de fusão é uma fase importante na fundição em forno de indução, com as seguintes tarefas principais

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

(3) Refinação

O período de refinação é um elo importante na fundição em forno de indução, completando tarefas como a desoxidação, a formação de ligas e o ajuste da composição e da temperatura do aço líquido através da refinação.

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

Desoxidação e liga do líquido de aço.

(4) Rosqueamento e fundição

Quando o aço ou liga fundidos satisfazem os requisitos para a fundição, podem ser fundidos. Para fornos de pequena capacidade, pode ser diretamente fundido. Para fornos de maior capacidade, pode ser primeiro vertido para uma panela de fundição e depois fundido. Dependendo dos requisitos do produto, pode ser fundido em lingotes, peças fundidas ou eléctrodos consumíveis. O processo de abertura de roscas também requer a seleção do método de fundição com base na qualidade e no fluxo do processo do produto, como a utilização de fundição em vácuo ou sem vácuo e a utilização de vazamento superior ou inferior.

Geralmente, as ligas de aquecimento elétrico e as ligas de alta temperatura necessitam de um maior refinamento, pelo que são geralmente fundidas em eléctrodos consumíveis, enquanto as ligas de precisão são geralmente fundidas em vácuo. A fundição a vácuo pode evitar a oxidação secundária e a reabsorção do líquido de aço durante o processo de fundição. processo de fundiçãoe pode remover eficazmente o hidrogénio e parte do azoto, obtendo-se assim um aço com menos impurezas e maior pureza.

2.7 Controlo da 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 açoPara além de cumprir as especificações técnicas, a composição química tem de ser controlada dentro de uma gama mais rigorosa, a fim de satisfazer os requisitos mais elevados de qualidade e desempenho. O controlo da composição química é efectuado em todos os processos de produção de aço em forno e está estreitamente relacionado com a perda de elementos de liga, as propriedades físico-químicas, o estado físico-químico das escórias, a temperatura do líquido do aço, o método de fusão, etc.

(1) Principais factores que afectam a taxa de recuperação dos elementos de liga

Propriedades físico-químicas dos próprios elementos de liga.

Tempo de fusão. 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 activos e o tempo de fusão for mais longo.

Temperatura de fusão. Com o aumento da temperatura, a energia livre dos elementos de liga no aço diminui, o que favorece a dissolução dos elementos de liga. No entanto, uma temperatura demasiado elevada agravará a perda de elementos de liga.

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

Perda volátil de elementos. Deve ser dada atenção à perda volátil causada pelos óxidos de W, Mo e Mn.

Teor de [O], [N] e [S] no líquido do aço. Quanto maior for o teor de [O], [N] e [S] no aço, maior será a perda de elementos. O líquido do aço deve ser totalmente desoxidado, dessulfurado e desnitrificado antes de adicionar elementos de liga.

Tempo, tamanho do bloco e método de adição de elementos de liga. Quanto mais cedo forem adicionados mais elementos activos, maior será a perda. A taxa de recuperação dos elementos de liga é mais elevada quando se adicionam elementos de liga em forma de bloco do que quando se adicionam elementos em pó. Existe também uma ligeira 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 controlo dos elementos de fraca perda: Os elementos de liga com uma taxa de perda inferior a 5% em condições normais de fusão são designados por elementos de baixa perda, incluindo Ni, Co, Mo, W, Cu, etc. Os elementos de baixa perda podem geralmente ser adicionados juntamente 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 sua fundição deve-se principalmente à perda volátil dos seus óxidos.

Além disso, as ligas que contêm tungsténio não podem ser fundidas num cadinho novo, uma vez que isso conduzirá à perda de tungsténio e a uma composição química não conforme devido à absorção de tungsténio pelo cadinho. Os materiais que contêm tungsténio podem também causar o "fenómeno do fundo do cadinho", em que uma grande quantidade de material contendo tungsténio se deposita no fundo do cadinho e não pode fundir durante muito tempo. Para reduzir a perda de W e Mo, deve ser assegurada uma fusão e agitação suficientes durante a fundição.

2. Método de controlo dos 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 a sua adição depende da situação no forno. Geralmente, o Nb é adicionado no final da refinação e suficientemente agitado. Ao fundir aço contendo Cr, deve ter-se o cuidado de evitar que o crómio se oxide na escória. Se o teor de crómio não for elevado, é preferível adicioná-lo após a desoxidação completa. Ao adicionar Mn para eliminar o efeito de fragilização térmica do FeS, o Mn/S>8 deve ser controlado.

3. Método de controlo dos elementos de elevada perda: Os elementos de liga como o Ti, Al, Re, Zr, etc. têm uma taxa de perda superior a 20% em condições normais de fusão e são elementos de elevada perda. Geralmente, 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, na fundição de ligas a alta temperatura, é necessário adicionar Ti. Se o Ti for adicionado sob a forma de esponja de titânio, mesmo que seja adicionado após a desoxidação final, a taxa de recuperação será apenas de cerca de 70%. No entanto, se o titânio for transformado em liga intermédia Ni-Ti e adicionado, a taxa de recuperação pode atingir mais de 95%.

3. Fusão por indução no vácuo (VIM)

3.1 Visão geral

A fusão por indução no vácuo (VIM) é um método de fusão de materiais em condições de vácuo que utiliza a indução electromagnética para gerar correntes de Foucault para aquecimento em condutores metálicos. A nova tecnologia de desgaseificação e vazamento por indução de vácuo (VIDP) tem as vantagens de um pequeno volume de fusão, curto tempo de bombagem de vácuo e ciclo de fusão, fácil controlo da temperatura e da pressão, fácil recuperação de elementos voláteis, controlo preciso da composição, etc. Desde o seu aparecimento em 1988, tem sido considerada como um objeto de seleção fundamental para fornos de indução de vácuo de grande escala nos países desenvolvidos.

3.1.1 Equipamento do forno de indução de vácuo

O forno de indução a vácuo é um equipamento utilizado para produzir superligas. De acordo com o modo de funcionamento, pode ser dividido em fornos de tipo descontínuo e fornos de funcionamento semi-contínuo. O forno de indução a vácuo pode ser utilizado para refinar superligas e também para fundir ligas especiais. O equipamento de apoio do forno de indução a vácuo pode ser dividido em quatro partes: fonte de alimentação e controlo elétrico, corpo do forno, sistema de vácuo e sistema de arrefecimento a água, como se mostra nas Figuras 3-1 e 3-2.

3.1.2 Alimentação eléctrica do forno de indução de vácuo

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

(1) O potencial terminal do indutor deve ser baixo. A tensão de funcionamento utilizada pelo forno de indução de vácuo é inferior à do forno de indução de média frequência, normalmente inferior a 750V, para evitar a descarga de gás sob vácuo provocada por uma tensão demasiado elevada e danos no isolamento, causando acidentes.

(2) Evitar que as harmónicas de ordem superior entrem no circuito de carga. Quando se utiliza um circuito de conversão de frequência de tiristores, as harmónicas de alta ordem entram frequentemente no circuito de carga, fazendo com que o indutor aumente a tensão no invólucro do forno e provoque a descarga. Por conseguinte, é necessário adicionar um transformador de isolamento de média frequência na extremidade de saída da fonte de alimentação para intercetar a entrada de harmónicos de alta ordem.

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

1 - Câmara de fusão por indução de 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 é constituído principalmente por um invólucro do forno, indutor, cadinho, mecanismo de inclinação, sistema de fundição, sistema de arrefecimento a água e dispositivo de alimentação eléctrica. A estrutura do corpo do forno inclui dois tipos: tipo de fundição rotativa do cadinho e tipo de fundição basculante do corpo do forno.

O corpo do forno de indução a vácuo está equipado com acessórios como dispositivos de alimentação, agitação, medição de temperatura e amostragem. A maior caraterística do forno de indução a vácuo é o facto de os processos de fusão e fundição serem realizados no interior do invólucro do forno. O invólucro do forno divide-se em invólucro fixo e invólucro móvel. O invólucro do forno deve suportar a forte pressão formada pelo vácuo interno e ter resistência estrutural suficiente.

O invólucro do forno de pequenos fornos de indução de vácuo adopta uma estrutura de dupla camada, com um revestimento inoxidável não magnético chapa de aço para a camada interior e uma placa de aço normal soldada à camada exterior, com água de arrefecimento a circular entre elas. Os grandes fornos de indução a vácuo utilizam uma estrutura de camada dupla em algumas partes, com uma placa de aço de camada única arrefecida por tubos de água no exterior. A superfície de contacto entre a parte móvel e a parte fixa do invólucro do forno deve ser selada com peças de borracha de vácuo. O princípio do sistema de vácuo é mostrado na Figura 3-3.

3.1.4 Características da fusão em forno de indução de vácuo

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

(2) Controlo 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 com formas complexas.

No entanto, existem também alguns problemas com a fusão em forno de indução a vácuo. Durante o processo de fusão, o metal fundido está em contacto com o material refratário do cadinho durante muito tempo, o que provoca inevitavelmente a contaminação do metal pelo material refratário. Em segundo lugar, as condições de solidificação do metal fundido e o método geral de fundição não são diferentes, pelo que continuam a existir defeitos como a folga e a segregação.

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

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

3.2 Base teórica da fusão sob vácuo

(1) Desoxidação do carbono sob vácuo

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

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

A solubilidade das moléculas de gás diatómico no metal fundido é proporcional à raiz quadrada da pressão do gás na atmosfera. Por conseguinte, quanto maior for o grau de vácuo, menor será 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, deve ser levado 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 várias fases principais, incluindo carregamento, fusão, refinação, liga e desoxidação, vazamento, etc.

3.3.1 Carregamento

(1) Necessidades de matérias-primas

O material de carga utilizado no forno de indução por vácuo é geralmente constituído por matérias-primas limpas que foram submetidas a um tratamento de superfície despojado e desengordurado, com a maior parte dos elementos de liga adicionados sob a forma de metal puro. Não devem ser utilizados materiais de carga húmidos durante o carregamento para evitar afetar a qualidade do produto acabado e provocar salpicos 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 formação de "pontes" causadas pelo facto de o material de carga superior ficar preso ou soldado durante o processo de fusão. Deve ser colocada uma camada de material leve e pequeno no fundo do cadinho antes de carregar materiais de grandes dimensões. Os materiais de carga de fusão elevada e de difícil oxidação devem ser carregados na zona de alta temperatura, nas partes média e inferior do cadinho. Alguns elementos activos como o Al, Ti, Mn, B e terras raras podem ser carregados em alimentadores separados.

(2) Requisitos de carregamento

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; deve ser colocada uma camada de material leve e pequeno no fundo do cadinho antes de carregar materiais de grandes dimensões.

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

III. Os 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 adicionar-se uma liga ao metal fundido sob a forma de uma liga ou pode introduzir-se um gás inerte na câmara de fusão para manter uma certa pressão no forno.

3.3.2 Fase de fusão

Para um forno de vácuo que funciona numa base intermitente, depois de o material de carga ter sido carregado, 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 em condições de vácuo, a energia pode ser fornecida para entrar na fase de fusão logo que a carga esteja concluída. Tendo em conta o efeito de desgaseificação do material de carga durante a fusão, não é necessária a potência máxima durante a fase 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 provoque salpicos. Quando ocorre uma ebulição violenta ou salpicos, a potência de entrada pode ser reduzida ou a pressão do forno pode ser ligeiramente aumentada para a controlar. O sinal de uma piscina fundida clara é que a superfície da piscina fundida está calma, sem bolhas a escapar. Em seguida, pode prosseguir para a fase de refinação.

3.3.3 Fase de refinação

As principais tarefas da fase de refinação são a melhoria da pureza do metal líquido e a realização de ligas. Ao mesmo tempo, é necessário ajustar a temperatura do metal fundido e da liga. O objetivo da fase de refinação é reduzir o teor de gás, remover as impurezas nocivas e qualificar a composição do aço. A temperatura da fase de refinação 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 pequenos fornos, é entre 0,1-1Pa. O tempo de refinação é de 15-25 minutos para um forno de 200 kg e 60-100 minutos para cerca de uma tonelada.

3.3.4 Liga

A liga refere-se ao ajuste da composição, que é efectuado em boas condições de desoxidação e desgaseificação através 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 oxigénio. Após a adição de cada elemento, a potência deve ser aumentada e agitada durante um determinado período de tempo para acelerar a fusão e assegurar uma distribuição homogénea.

3.3.5 Fundição e vazamento de aço

Após a fase de liga, quando o metal líquido no cadinho atinge a composição e a temperatura pretendidas, e o retidão Se a câmara de vácuo cumprir os requisitos técnicos, o aço pode ser fundido. Ao verter para a tampa de isolamento, o vácuo é imediatamente quebrado e o agente de aquecimento e o agente de isolamento são adicionados para evitar que a porosidade de contração entre no corpo do lingote. Para ligas de alta temperatura com composições complexas, devem ser deixadas no vácuo durante 15-20 minutos após a fundição antes de quebrar o vácuo. Para grandes fornos de indução de vácuo contínuos, os lingotes podem ser deixados arrefecer sob vácuo.

3.4 A volatilidade dos elementos e o controlo da composição

Todos os metais (incluindo alguns não-metais) têm uma pressão de vapor de equilíbrio Poi, que depende das propriedades físicas do metal, da forma do estado gasoso (átomo simples, molécula diatómica ou multiatómica) 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 necessita de qualquer 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 com a metalurgia do aço estão listados na Tabela 3-5. Quanto mais elevada for a pressão de vapor de um elemento, maior é a probabilidade de este se volatilizar durante a fusão 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 numa 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 inferior à da 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 a seguinte

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 molar fraccionada 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. Em condições de fundição a vácuo, estes elementos volatilizar-se-ão em graus variáveis. O aço e as ligas contêm alguns oligoelementos metálicos que têm um impacto significativo no desempenho do aço e das ligas. Estes elementos são difíceis de remover por métodos químicos convencionais. Se estes elementos tiverem uma pressão de vapor elevada, podem ser removidos por volatilização durante a fusão a vácuo. Estes elementos metálicos incluem Sn, Pb, Bi, Sb e Zn.

Os oligoelementos como o magnésio, o zircónio, o boro, etc., são utilizados para a microliga; as impurezas vestigiais como o Pb, Bi, As, Sb e Sn são prejudiciais para o aço e as ligas. O magnésio puro tem uma elevada pressão de vapor às temperaturas de fusão, baixa densidade e uma forte afinidade com o oxigénio, o que dificulta a liga de magnésio.

Durante a fusão a vácuo, o magnésio é adicionado sob a forma de ligas binárias ou ternárias durante a última fase da fusão. Para melhorar a taxa de recuperação do magnésio, devem ser observados os seguintes pontos aquando da adição de 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 espera deve ser controlado após a adição de magnésio, geralmente adicionado dentro de 1-5 minutos antes de bater.

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

Os vestígios de elementos nocivos no aço e nas ligas são normalmente impurezas de baixo ponto de fusão acumuladas pela utilização repetida de sucata ou contidas em alguns minérios de ferro. A refinação a vácuo é o método mais eficaz para remover estes elementos de impureza nocivos, uma vez que têm geralmente uma elevada pressão de vapor. Devido às diferentes pressões de vapor e à influência variável de outros elementos componentes, as taxas de volatilização destes elementos são muito diferentes.

3.5 Interação entre os metais fundidos e os materiais refractários sob vácuo

Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia dos fornos de indução, a capacidade dos fornos de indução sem núcleo tem vindo a aumentar, e os fornos de indução tradicionais e a vácuo que foram postos em produção atingiram 60t e 40t, respetivamente. Na década de 1960, os Estados Unidos fabricaram sucessivamente fornos VIM (Vacuum Induction Melting Furnace) com capacidades de 15t, 30t e até 60t. O aumento da capacidade dos fornos eléctricos aumenta também, de forma correspondente, a procura de materiais refractários de elevada pureza com propriedades físicas especiais.

As condições de funcionamento dos materiais refractários utilizados na fusão sob vácuo são geralmente mais rigorosas do que as utilizadas na fusão convencional. Isto deve-se ao facto de muitos materiais refractários se decomporem de acordo com a sua composição e reagirem com o metal fundido em condições de vácuo. Por um lado, isto contamina o metal fundido e, por outro lado, aumenta a corrosão do material refratário. Isto é particularmente evidente nos materiais refractários que contêm grandes quantidades de sílica e óxido de ferro.

As fissuras de retração que ocorrem nos materiais refractários utilizados na fundição a vácuo são mais graves do que as da fundição convencional, especialmente nos fornos de indução sem núcleo de elevada capacidade (>2,5 t). Por conseguinte, os materiais refractários para fornos de indução em grande escala devem ter as seguintes características

(1) Expansão irreversível, sem fissuras de retração;

(2) Elevado grau de pureza;

(3) Boa estabilidade num ambiente de vácuo;

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

Os materiais refractários com estas características incluem magnésia-alumina-espinélio e alumina de elevada pureza. Nos últimos anos, a dosagem destes materiais refractários, bem como os materiais de reparação e 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-espinel pode ser usado a uma temperatura de 1647 ℃ e, após ser resfriado à temperatura ambiente ou preenchido com materiais frios, pode ser aquecido e usado a 1647 ℃ sem rachar após dezenas de ciclos. De acordo com relatórios relevantes, o revestimento de um forno de indução de capacidade nominal de 6t é feito por alumina 95%. Ao produzir aço inoxidável das séries 300 e 400, o revestimento do forno pode ser usado continuamente para 150 fornos sem qualquer tratamento.

3.6 Aplicação de novas tecnologias na fundição em forno de indução

Nos cerca de 80 anos que decorreram desde a invenção do forno de indução, registaram-se avanços significativos tanto a nível do equipamento como dos processos. Como resultado, foram adoptadas medidas para melhorar a fundição em forno de indução em termos de volume de produção, produtividade, qualidade do produto e gama de produtos. Estas medidas incluem o tratamento das ligas com magnésio, a desfosforização com baixo potencial de oxigénio, o sopro de árgon, a injeção de pó, a mistura de gás hidrogénio-oxigénio descarbonizaçãoe a refinação do aço líquido pelo hidrogénio.

3.6.1 Tratamento de ligas de magnésio

As ligas de alta temperatura à base de níquel ou de ferro, bem como as ligas de precisão que contêm elevados níveis de elementos de liga, alguns dos quais são mais reactivos do que outros, como o alumínio e o titânio, não podem garantir propriedades satisfatórias como a plasticidade térmica, soldabilidadeO magnésio é um metal de alta qualidade, com resistência a altas temperaturas e resistência à fluência, mesmo quando fundido em condições de vácuo. Por conseguinte, é adicionada uma certa quantidade de magnésio no final da refinação. O magnésio residual no metal pode melhorar significativamente estas 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 este problema, são utilizadas ligas de magnésio, tais como Ni-Mg e Ni-Mg-Me, para reduzir a pressão de vapor do magnésio e aumentar o seu ponto de fusão e 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 do fundido para que seja 20 ℃ mais baixa do que a temperatura de vazamento após a adição de B e Ce;

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

(3) Adicionar magnésio sob a forma de uma liga intermédia em bloco contendo magnésio à fusão metálica;

(4) Agitar vigorosamente imediatamente após a adição de magnésio e evitar agitar durante demasiado tempo para reduzir a perda de magnésio. O aço deve ser batido dentro de 1-5 minutos após a adição de magnésio.

3.6.2 Desfosforização com baixo potencial de oxigénio

Na fusão de ligas de aço, especialmente quando se utilizam materiais de retorno como carga do forno, é necessário controlar o potencial de oxigénio do gás do forno e das escórias durante o processo de fusão e refinação para reduzir a perda de elementos de liga. Por conseguinte, não podem ser utilizados métodos oxidantes para desfosforizar durante o processo de fusão. Quando é necessário aço com baixo teor de fósforo, apenas podem ser utilizadas matérias-primas com um teor de fósforo inferior aos requisitos de especificação, 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 oxigénio foram propostas nos últimos anos e também foram aplicadas na fundição em forno de indução.

O cálcio e o fósforo presentes no aço podem reagir nas condições de desoxidação e dessulfuração suficientes do líquido de aço da seguinte forma:

3Ca+2[P] = Ca₃P₂ (3-3)

O produto formado é o fosforeto de cálcio. O cálcio envolvido na reação pode ser cálcio metálico, ligas de cálcio (tais como ligas de silício-cálcio), ou compostos de cálcio (tais como CaC2). Devido ao baixo ponto de fusão (839 ℃), alta pressão de vapor (P = 1,775 × 105 Pa a 1600 ℃) e baixa solubilidade no líquido de aço do cálcio metálico, ele evapora rapidamente na forma de vapor após ser adicionado ao líquido de 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. As ligas ou compostos de cálcio são normalmente utilizados em seu lugar.

O Ca₃P₂ gerado pela reação é um composto insolúvel no líquido do aço, com um ponto de fusão de 1320℃ e uma densidade de 3,3 g/cm³. Ele irá flutuar na forma líquida e entrar na escória na temperatura de fabricação de aço. No entanto, o fosforeto de cálcio não é estável nas condições de fabricação de aço e é um forte agente redutor. Quando o potencial de oxigénio da atmosfera do forno é elevado e existem óxidos facilmente redutíveis na escória, ocorre 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 existe 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 este gás é tóxico e devem ser tomadas precauções para evitar que esta reação ocorra durante o funcionamento. Devem ser tomadas medidas especiais para garantir a segurança no processamento de escória de forno contendo Ca₃P₂. Quando a escória tem uma alcalinidade elevada, CaO.P₂O₅ com maior estabilidade.

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

No entanto, tanto o cálcio silício como o CaC₂ utilizados para a desfosforização com baixo potencial de oxigénio têm fortes propriedades redutoras. Por conseguinte, quando existe um excesso de cálcio silício ou CaC₂ na escória, o fosfato de cálcio decompor-se-á e o P₂O₅ será reduzida, fazendo com que o fósforo regresse ao aço e reduzindo a eficiência da desfosforização sob baixo potencial de oxigénio.

No funcionamento real, a manutenção de um baixo potencial de oxigénio do aço e a remoção atempada das escórias que contêm 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 salpicos. Quando o CaC₂ é utilizado como agente de desfosforização, é necessário cobrir o cadinho e enchê-lo com um gás redutor ou inerte para evitar a oxidação do CaC₂ na escória. Na fundição de Cr₁₂Aço para moldes MoV, a quantidade de pó utilizada é de 10-15 kg/t, e a taxa de desfosforização é de cerca de 0,005%. Após o fim da pulverização do pó, remover imediatamente a escória e fazer nova escória.

3.6.3 Sopro de árgon

O sopro de árgon na panela é já uma tecnologia madura na fundição de aço normal e de aço de baixa liga. Baseia-se na afluência de bolhas de árgon para agitar o aço fundido, promover a reação carbono-oxigénio, aderir e promover a colisão, o crescimento e a afluência de inclusões à superfície da bolha, podendo também desgaseificar em determinadas condições.

Quando a pureza do árgon é elevada e muito seca, o sopro de árgon pode remover alguns gases, especialmente o hidrogénio. Quando o tempo de sopro de árgon é de cerca de 20 minutos, a taxa de desidrogenação pode atingir cerca de 50%. Os oligoelementos nocivos com elevada pressão de vapor à temperatura de produção do aço, como o chumbo e o arsénico, também podem ser removidos em diferentes graus através do sopro de árgon. De acordo com os relatórios, o sopro de árgon durante 20 minutos pode remover 70-80% de chumbo no aço, mas a taxa de remoção do arsénico 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 podem ser utilizados diferentes agentes em pó para completar tarefas metalúrgicas como a desfosforização, a dessulfuração, a desoxidação, o controlo da morfologia das inclusões, a liga ou a adição de carbono. A tecnologia de injeção de pó é essencialmente uma tecnologia que adiciona materiais sólidos ao aço fundido.

Uma vez que o pó é transportado por um gás de arrastamento, o gás de arrastamento que entra ao mesmo tempo que o pó provoca a agitação da massa fundida, melhorando assim as condições cinéticas das reacções metalúrgicas. Por conseguinte, a injeção de pó é mais eficaz do que a tecnologia tradicional de adição de material sólido. Naturalmente, esta técnica de adição também pode ser utilizada para a fusão em fornos de indução.

Na fusão em forno de indução, pode ser soprado um agente desfosforizante (liga de cálcio ou composto de cálcio) ou um agente dessulfurizante. O agente dessulfurizante normalmente utilizado é principalmente o pó à base de cal (w(CaO) 60-80%, w(CaF₂) 20-40%). Este agente dessulfurizante é fácil de obter, barato e não tem qualquer efeito no controlo da composição do aço fundido, sendo a taxa de dessulfuração de cerca de 30-50%.

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

O gás árgon engarrafado é normalmente utilizado como gás de transporte para a injeção de pó. O azoto também pode ser utilizado para tipos de aço que não requerem teor de azoto, o que pode reduzir os custos. A pressão de trabalho é geralmente de 0,2-0,3 MPa. Com a premissa de assegurar uma distribuição uniforme do pó, a pressão de trabalho deve ser minimizada tanto quanto possível. Um tubo de aço com material refratário externo é utilizado como pistola de injeção e é inserido a uma profundidade igual à profundidade da poça de fusão menos a profundidade de penetração.

3.6.5 Descarbonetação com árgon-oxigénio

A United Carbide Corporation dos Estados Unidos estudou a relação de equilíbrio do sistema quaternário Fe-Cr-C-O num forno de indução e verificou que existe uma relação correspondente entre o teor de carbono e crómio dissolvidos no ferro e a pressão parcial de monóxido de carbono (PCO) na fase gasosa com a temperatura. Com um determinado teor de crómio, o teor de carbono de equilíbrio diminui com o aumento da temperatura ou com a diminuição da PCO na fase gasosa. Por conseguinte, desde que o PCO em contacto com o aço fundido possa ser reduzido, o carbono no aço fundido pode ser reduzido a um nível baixo a uma temperatura não muito elevada, e o crómio não sofrerá demasiada perda por oxidação.

Com base nisto, foi proposto o método AOD de diluição da pressão parcial de PCO com árgon, ou seja, descarbonetação por sopro de gás misto árgon-oxigénio. Este método supera as desvantagens da alta temperatura, grande perda de crómio, aumento da teor de carbono de eléctrodos de grafite, vida útil reduzida do revestimento do forno e grande consumo de ferro com crómio de baixo teor de carbono ou de crómio metálico na fundição de aço inoxidável com crómio por sopro de oxigénio em fornos de arco, tendo sido rapidamente desenvolvido e amplamente utilizado.

Uma vez que o método AOD foi desenvolvido no forno de indução, o método de descarbonetação com árgon-oxigénio deve também ser aplicável à fusão em forno de indução. Na fusão de aço inoxidável ao crómio ou níquel-crómio num forno de indução, pode ser soprado gás misturado com árgon-oxigénio para remover o carbono do aço.

4. Remoção eléctrica de escórias

4.1 Equipamento elétrico de refusão de escórias e princípios básicos

A refusão de escória eléctrica (ESR) é um método de refinação secundária amplamente utilizado para a produção de aço e ligas de alta qualidade. Este processo utiliza o calor gerado pela resistência eléctrica da escória para fundir novamente o elétrodo consumível num cristalizador arrefecido a água. Em comparação com a fusão por arco com elétrodo consumível a vácuo, a ESR não requer um sistema de vácuo e utiliza frequentemente 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 escórias

Em comparação com a fusão por arco com eléctrodos consumíveis a vácuo, o equipamento de refusão de escórias eléctricas é relativamente simples e é constituído por vários componentes, incluindo um transformador de potência e um dispositivo de curto-circuito, um sistema de elevação de eléctrodos consumíveis, um cristalizador com um tanque de água de fundo, um sistema de medição e controlo e um sistema de abastecimento e de remoção de poeiras. Aqui, apenas apresentaremos o transformador de potência, o cristalizador, o tanque de água de fundo e vários tipos de fornos eléctricos de escória.

(1) Transformador de potência

A caraterística única do processo de refusão de escória eléctrica é a utilização de fontes de energia de alta corrente e baixa tensão CA ou CC. Por isso, é necessário escolher um transformador adequado para converter a entrada de alta tensão em saída de baixa tensão (40-100V) 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 elétrodo consumível derrete no interior do cristalizador e o metal líquido é arrefecido à força e cristalizado para formar um lingote ou fundição de metal. O cristalizador é tanto a câmara de fusão do forno como o molde para a solidificação do metal. Tem uma forma e estrutura complexas, e existem três tipos principais: cristalizador do tipo lingote, cristalizador do tipo deslizante e cristalizador do tipo combinado (como 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 em modo de lingote;

4-5 Cristalizador de tipo deslizante; 5-Cristalizador; 6-Caixa de água de fundo

6-7 Tipo amovível; 8-Tipo móvel

4.1.2 Princípios básicos da refusão por arco elétrico

(1) Princípio básico da refusão

Durante o processo de refusão por arco elétrico, a corrente passa através do elétrodo consumível, da escória, da poça de fusão metálica, do lingote metálico solidificado e da caixa de água do fundo e, finalmente, flui através do curto-circuito, do transformador, etc., formando um circuito (ver Figura 4-6). No caso de um forno de arco elétrico de série bipolar, a corrente flui de um dos eléctrodos consumíveis através da escória (uma pequena parte da corrente também flui através da poça de fusão metálica e depois volta para a escória), passa depois pelo outro elétrodo consumível e, finalmente, regressa ao transformador para formar um ciclo.

O processo de refundição por arco elétrico inclui a formação de uma poça de escória, a fusão do elétrodo consumível, a solidificação do metal refundido e a reparação e retração do lingote refundido, tudo isto num processo de trabalho contínuo.

Quando a corrente passa através da escória, devido à elevada resistência da escória, é gerado um forte aquecimento de 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 condutora de eletricidade, A;

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

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

A fusão do elétrodo consumível e a transição das gotículas de metal durante o processo de refusão podem ser divididas nas três fases seguintes:

1) A película de metal líquido é formada na extremidade do elétrodo consumível;

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

3) Entrou na superfície da poça de fusão metálica.

1 - poça de escória; 2 - camada de líquido fundido; 3 - poça de metal fundido; 4 - pele de escória; 5 - lingote de escória eléctrica; 6 - cristalizador;

7 - caixa de água inferior; 8 - transformador; 9 - curto-circuito; 10 - suporte; 11 - elétrodo consumível

4.2 Vantagens da refusão por arco elétrico

Em comparação com os métodos gerais de fundição, o processo de refusão por arco elétrico distingue-se pelo facto de o processo de refusão, incluindo a formação de uma poça de escória, a fusão do elétrodo consumível, a solidificação do metal refundido e a reparação e retração do lingote refundido, serem todos realizados num processo de trabalho contínuo. Por conseguinte, apresenta 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) Existem muitas variedades de produtos e uma vasta gama de aplicações.

(5) A refusão por arco elétrico tem também uma grande vantagem, pois pode produzir lingotes metálicos com diferentes secções transversais, tais como lingotes redondos, quadrados, rectangulares e lingotes metálicos com grandes relações largura/comprimento. Também pode produzir tubos ocos e peças fundidas com diferentes formas, tais como espaços em branco de tubos ocos, biletes de laminagem, recipientes de alta pressão, grandes válvulas de alta pressão e cambotas.

No entanto, a refundição por arco elétrico apresenta alguns inconvenientes, como a baixa produtividade, o elevado consumo de eletricidade, o fraco efeito de desgaseificação, a dificuldade em controlar com precisão a composição química quando se refunde aços com elevado teor de Ti e Al e os custos de produção mais elevados em comparação com os métodos gerais de fundição.

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

4.3.1 Matérias-primas para a refusão por arco elétrico

(1) Elétrodo consumível

O elétrodo consumível utilizado na refusão por arco elétrico é geralmente um lingote de metal fundido num forno de arco ou num forno de indução, que é transformado numa barra de metal após laminagem ou forjamento. A sua secção transversal pode ser circular, quadrada ou retangular, e a sua variedade deve ser a mesma do produto acabado após a refusão. A fim de evitar a oxidação e a queima de elementos facilmente oxidáveis durante o processo de refusão, é necessário que a superfície do elétrodo consumível esteja isenta de ferrugem e de pele de óxido, especialmente quando se refunde aços e ligas contendo Al, Ti, B e outros elementos. Durante o processo de refusão, com exceção dos elementos facilmente oxidáveis (como o Ti, o Al, etc.) que podem ser queimados, os outros elementos basicamente não se alteram. Estes elementos facilmente oxidáveis devem ser controlados dentro de um determinado intervalo durante a preparação do elétrodo consumível, de acordo com a quantidade de queima durante o processo de refusão. Para evitar a excentricidade do elétrodo consumível durante o processo de refusão, é necessário que este seja o mais reto possível, com uma raio de curvatura não superior a 6 mm por metro.

(2) Placa de proteção do lingote

No início da refusão, a fim de evitar que a caixa de água do fundo seja queimada, pode ser colocada uma placa metálica chamada placa de proteção do lingote sob o cristalizador e acima da caixa de água do fundo. A placa de proteção do lingote é feita do mesmo material que o elétrodo consumível. A superfície da placa de proteção do lingote não deve ter pele de óxido e ferrugem, e deve ser muito plana, de modo a assegurar um contacto estreito 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 12-18mm.

(3) Material de escória de ignição

Como todos sabemos, na refusão por arco elétrico, a escória fundida tem uma certa condutividade. Quando o material da escória é sólido, a sua condutividade é fraca e não pode ser utilizada para conduzir o calor e estabelecer diretamente uma poça de escória. Se a escória sólida for utilizada como material de escória de ignição, deve ser encontrada uma escória com condutividade suficiente no estado sólido. Na prática, verificou-se que quando a escória sólida contém uma certa quantidade de TiO₂pode satisfazer este requisito. Por conseguinte, durante um período de tempo considerável, as escórias sólidas contendo TiO₂ foi utilizado como material de escória de ignição para a 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 normalmente utilizados são compostos principalmente por fluorite (CaF₂), alumina (Al₂O₃), cal (CaO) e magnésia (MgO), etc. (ver Quadro 4-1).

4.3.2 Seleção dos parâmetros do processo de refusão por arco elétrico

(1) Tamanho do lingote de escória eléctrica

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 escórias comuns e suas densidades no estado líquido, bem como pontos de fusão.

(2) Dimensões do cristalizador e do elétrodo 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 margem de maquinagem para a peça bruta (para lingotes, M=0; para peças fundidas, M=10-15mm); δ% é a retração do lingote (geralmente 3±0,5%).

A altura H do cristalizador é determinada pela seguinte fórmula:

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

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

em que K é o rácio de enchimento, geralmente escolhido entre 0,4-0,6; d_pole é o diâmetro do elétrodo de autoconsumo em milímetros (mm); D é o diâmetro do cristalizador em milímetros (mm).

Atualmente, diferentes países em todo o mundo escolhem diferentes rácios de enchimento K com base nas suas situações reais. Um valor K maior é melhor para reduzir o consumo de energia, aumentar a produtividade e melhorar a qualidade do lingote, garantindo ao mesmo tempo a qualidade do metal refundido e a segurança da operação. O diâmetro do elétrodo de autoconsumo não pode ser demasiado grande, pois isso afectará a segurança da operação.

O comprimento L_pólo do elétrodo de autoconsumo pode ser calculado através da seguinte fórmula

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

(3) Tensão de fusão

A tensão de fusão refere-se à soma da tensão de funcionamento 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 maior exatidão a tensão real. Determina a profundidade de imersão do elétrodo de autoconsumo, afecta a formação de cristais axiais de lingote satisfatórios e a qualidade da superfície, e está relacionada com o 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 dos cristais axiais do lingote. Geralmente, para sistemas de escória com boa condutividade e baixa resistência, deve ser selecionada uma tensão de trabalho mais baixa. Quando se fundem ligas que contêm elementos facilmente oxidáveis, tais como Al, Ti e aços ou ligas propensas a segregação, deve também ser selecionada uma tensão de trabalho mais baixa. A tensão de funcionamento pode ser selecionada utilizando 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, tomada como 27-37V.

(4) Corrente de fusão

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

I = A*J （4-8）

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

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

em que d é o diâmetro do elétrodo de autoconsumo em milímetros (mm).

(5) Potência de entrada

A potência de entrada é utilizada 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 unitário da piscina de escória. Se D =400-800mm, a potência de entrada efectiva é de 0,15-0,30KW/cm²Se D = 200-400mm, a potência de entrada efectiva é de 0,30-0,60KW/cm²Se D < 200mm, a potência de entrada efectiva é superior a 0,60KW/cm².

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

A quantidade de escória é determinada utilizando a seguinte fórmula, com os sistemas e densidades de escória normalmente utilizados, apresentados no Quadro 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 poça de escória pode ser determinada utilizando a seguinte fórmula empírica:

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

(7) Temperatura da água de arrefecimento

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

4.4 Características metalúrgicas da refusão de escória eléctrica (Aula 11)

O processo de refusão de escórias eléctricas inclui a formação da poça de escória, a fusão do elétrodo de autoconsumo, a solidificação do metal refundido e a complementação e contração do lingote refundido. Estes processos são levados a cabo num processo de trabalho contínuo.

4.4.1 Formação da piscina de escórias de refusão de escórias eléctricas

(1) Função da escória

Fonte de calor para o processo de refusão.

Aperfeiçoamento eficaz.

Proteção do metal refundido com a camada de escória.

Além disso, durante o processo de solidificação do metal refundido, forma-se uma camada fina e uniforme de escória na superfície do lingote, protegendo o cristalizador do contacto direto com a escória a alta temperatura e tornando a superfície do lingote lisa e fácil de desmoldar.

(2) Propriedades da escória

Uma certa condutividade eléctrica.

Baixa viscosidade e ponto de fusão.

Baixa pressão de vapor.

Tensão interfacial adequada da escória.

Densidade moderada da escória.

Permeabilidade adequada das escórias.

(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 comummente utilizados são apresentados no Quadro 4-1.

O ponto de fusão do sistema de escória deve ser 100-200 ℃ menor do que o do metal fundido, 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 remoção de inclusões não metálicas. Também ajudará a formar uma camada fina e uniforme de escória na superfície do lingote, facilitando a solidificação do lingote e obtendo uma superfície lisa.

O sistema de escória CaF2-CaO tem uma capacidade de dessulfuração significativa, 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 eléctrica, é preferível 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 combustão. Na fusão de aços e ligas que contenham elementos como o Al, o Ti e o B, as escórias não devem conter SiO2.

Uma vez que os óxidos de metais alcalinos, como o Na2O e o K2O, têm pontos de fusão baixos e são fáceis de volatilizar, a escória não deve conter estes óxidos.

(4) Criação de uma piscina de escórias

No início do processo de refusão, a piscina de escória deve ser rapidamente estabelecida para garantir o bom andamento do processo de refusão de escória eléctrica. Existem dois métodos para estabelecer a piscina de escória: o método do arco visível e o método do arco invisível, sendo este último utilizado principalmente na produção atual. No método do arco invisível, utiliza-se principalmente o método de ignição da escória sólida condutora e o método da escória líquida.

4.4.2 Fusão do elétrodo de autoconsumo

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

Em primeiro lugar, a composição da escória tem um efeito significativo no tamanho da gota. Ao utilizar um elétrodo de autoconsumo de aço ЭП65 com um diâmetro de d_pole=200mm, um diâmetro de cristalizador de D_pro=425mm, e um sistema de escória CaF2-Al2O3 com diferentes quantidades de Al2O3 adicionado para refusão, a mudança na qualidade das gotas está listada na Tabela 4-2.

Tabela 4-2 Alterações na fusão de gotículas.

Além disso, existe uma certa relação entre a profundidade da poça de escória e a frequência e o tamanho da gota. Quando se utiliza um elétrodo de autoconsumo de secção transversal pequena, um aumento da profundidade da poça de escória leva a uma diminuição da frequência de queda de gotas e a um aumento do diâmetro das gotas (ver Quadro 4-3).

Tabela 4-3 Relação entre a profundidade da poça de escória, a frequência de queda das gotas e o diâmetro das gotas.

Nota: A velocidade de elevação do elétrodo é de 1,55m/h; a tensão é de 45V.

A estabilidade do processo de refusão na produção de escória eléctrica está intimamente relacionada com a velocidade de descida do elétrodo de autoconsumo. Quando o elétrodo desce lentamente, o processo de escória eléctrica passa para um processo de arco. Neste momento, a extremidade do elétrodo é plana e as gotículas estão normalmente distribuídas na borda da face do elétrodo (ver Figura 4-18a). No momento em que as gotículas caem, observa-se a formação de arco e o processo de escória eléctrica é instável. Quando a velocidade de descida do elétrodo é aumentada, aparece uma saliência cónica na extremidade do elétrodo (ver Figura 4-18b) e formam-se gotículas no centro da extremidade do elétrodo (a ponta da saliência). Com o aumento da velocidade de descida do elétrodo, o tamanho da parte cónica do elétrodo inserido na escória aumenta e a concavidade da superfície lateral do cone diminui.

Figura 4-8 Características de fusão do elétrodo

a - Velocidade de descida do elétrodo baixa; b - Velocidade de descida do elétrodo moderada; c - Velocidade de descida do elétrodo alta.

Com um aumento adicional da velocidade de descida do elétrodo, a superfície lateral do corpo cónico na extremidade do elétrodo torna-se convexa e parte da parte cilíndrica do elétrodo fica também enterrada na poça de escória. Neste momento, com o aumento da velocidade de descida do elétrodo, observa-se um aumento lento da corrente (ver Figura 4-19).

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

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

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

Quando a velocidade de descida do elétrodo é demasiado rápida, ocorrem arcos periódicos entre a extremidade do elétrodo e a superfície da poça de metal fundido devido ao desprendimento de gotículas, resultando em ebulição no fundo da poça de escória. Por vezes, pode ocorrer um curto-circuito entre o elétrodo e a poça de metal fundido, tornando o processo de refusão instável.

Em resumo, quando se utiliza um elétrodo de grande secção transversal para a refusão por escória eléctrica, a extremidade do elétrodo deve ter a forma 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 dos lingotes electroslag e o dos lingotes convencionais métodos de fundição são os seguintes:

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

(2) Durante o processo de refusão por escória eléctrica, o novo metal líquido pode ser continuamente fornecido ao interior do cristalizador através da fusão contínua do elétrodo de autoconsumo, o que não é necessário na fundição em molde normal;

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

(4) A estrutura cristalina do lingote de electroslag não está apenas relacionada com a casca de escória na superfície do lingote, mas também com a forma da piscina de metal fundido.

A prática provou que os principais factores que afectam a formação da forma da poça de metal fundido incluem a velocidade de descida do elétrodo 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 arrefecimento

Retração de compensação: A retração de compensação deve ser efectuada 10-15 minutos antes do final do processo de refusão para garantir um lingote liso sem orifícios de retração e melhorar o rendimento do lingote metálico.

Desmoldagem e arrefecimento: Após a conclusão da refusão, o lingote metálico deve ser deixado arrefecer durante 10 minutos antes de ser desmoldado. O tempo de arrefecimento do molde é normalmente determinado de acordo com os diferentes tipos de aço e o tamanho do lingote. Após a desmoldagem, os aços-liga devem geralmente ser arrefecidos lentamente, e os métodos de arrefecimento lento incluem o arrefecimento por ar, o arrefecimento por areia, o arrefecimento por campânula e o arrefecimento por fosso.

4.5 Qualidade metalúrgica da refusão por escória eléctrica

4.5.1 Dessulfuração e desfosforização no processo de escória eléctrica

O efeito de dessulfuração da refusão por electroslag é significativo e a taxa de dessulfuração pode geralmente atingir 50-80%, o que constitui uma das vantagens da refusão por electroslag. Nos métodos normais de produção de aço, para remover eficazmente o enxofre do metal, devem ser satisfeitas as seguintes condições

(1) A escória deve ter uma alcalinidade elevada;

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

(3) A interface de contacto entre o metal e a escória deve ser tão grande quanto possível.

Existem três formas de dessulfuração no processo de refusão por electroslag:

(1) É a dessulfuração 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)

Por conseguinte, a equação 4-13 é a seguinte 

Se o teor de iões de oxigénio na escória for mais elevado e a atividade do oxigénio no metal for mais baixa, mais enxofre será transferido do metal para a escória. Para aumentar o teor de iões de oxigénio na escória, pode ser utilizada escória de elevada alcalinidade. A partir da fórmula de reação química da dessulfuração da escória, pode ver-se que, à medida que o enxofre é removido, o teor de oxigénio no metal deve aumentar.

(2) Durante o processo de refusão, é igualmente efectuada a dessulfuração por gaseificação, o que significa que o enxofre é transferido das escórias para a atmosfera.

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

A constante de equilíbrio desta reação é:

A equação 4-16 dá o resultado:

Da equação 4-17 depreende-se que quanto maior for a pressão parcial de oxigénio na atmosfera e menor for a atividade dos iões de oxigénio na escória, mais favorável é a dessulfuração por gaseificação durante o processo de refusão. Existe uma certa contradição entre estes dois processos de reação. No entanto, ambos os processos ocorrem no mesmo sistema, pelo que o efeito final da dessulfuração deve ser um resultado abrangente da interação entre estas duas reacções.

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

Diferentes polaridades de corrente e tensão também têm um certo efeito na remoção do enxofre no metal. Se for utilizada a corrente contínua inversa (ou seja, elétrodo de autoconsumo ligado ao elétrodo positivo), o enxofre no metal pode passar para a escória, obtendo-se melhores resultados de dessulfuração. Basicamente, não se observa qualquer efeito de dessulfuração quando se utiliza corrente contínua positiva. Durante a refusão por arco elétrico, a dessulfuração por gaseificação representa uma proporção considerável dos três métodos de dessulfuração acima referidos. Em geral, o melhor efeito de dessulfuração é obtido utilizando uma fonte de energia CA e escória de alta alcalinidade para refusão em condições atmosféricas. Quando se utiliza uma fonte de energia de corrente alternada, o CaF₂-O sistema de escória com CaO tem o melhor efeito de dessulfuração no sistema de escória com flúor.

Quanto à desfosforização do metal, o método tradicional consiste em criar condições de "três altos e um baixo" (elevada alcalinidade, elevado teor de (FeO), grande quantidade de escória e temperatura mais baixa) tanto quanto possível durante o processo de fundição. No entanto, no processo de refusão por arco elétrico, é difícil obter bons resultados de desfosforização devido à natureza não oxidante da escória e à elevada 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 seguinte mostra as alterações no teor de inclusões não metálicas no aço para rolamentos de esferas após a refusão por arco elétrico.

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

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

4.6 Aplicações da refusão por escória eléctrica

(1) Novas aplicações da refusão por escória eléctrica

Refusão por escória eléctrica ESR; fundição por escória eléctrica ESC; vazamento por escória eléctrica ESP; vazamento contínuo por escória eléctrica ESMPC; fundição por escória eléctrica centrífuga CESC;

Fundição a quente com escória eléctrica ESHT; refusão rápida com escória eléctrica ESRR; Soldadura por escória eléctrica ESW; revestimento por escória eléctrica E.S. Cladding;

Formação por pulverização por escória eléctrica E.S. Osprey; Fusão direta por escória eléctrica Direct ESM;

(2) Perspectivas futuras para os produtos de escória eléctrica

I. No sector da produção de peças forjadas de média e grande dimensão, a refundição ocupará uma posição de monopólio.

II. Nos domínios do aço para ferramentas de alta qualidade, aço para moldesaço inoxidável duplex resistente ao calor, aço de ultra-alta resistência contendo nitrogénio, peças em bruto para tubos e rolos laminados a frio, a refusão por electroslag tem uma vantagem absoluta e substituirá a refusão por arco de vácuo neste domínio.

III. No domínio das superligas (ligas de alta temperatura, ligas resistentes à corrosão, ligas de precisão, ligas para aquecimento elétrico), a refusão por electroescória e a refusão por arco sob vácuo encontram-se numa situação de concorrência. No final dos anos 80, a produção da refusão por escória eléctrica ultrapassou a da refusão por arco de vácuo. Muitos dos materiais que seguem a refusão por arco de vácuo são materiais mais antigos que estão limitados por avaliações técnicas anteriores, enquanto os novos materiais de electroslag têm uma vantagem absoluta.

IV. Na produção de metais não ferrosos, a refusão por electroescória encontra-se numa fase embrionária.

5. Refusão por arco sob vácuo

5.1 Visão geral

A refusão por arco sob vácuo é um processo que envolve a utilização de um arco de corrente contínua gerado entre um elétrodo metálico e uma poça de metal fundido, num ambiente sem escórias e de baixa pressão. Os efeitos de alta temperatura do arco fundem os eléctrodos autoconsumíveis camada a camada e formam gotículas fundidas na extremidade do elétrodo. Estas gotículas entram na piscina de metal fundido através da zona de arco de alta temperatura e são rapidamente aquecidas pelo arco de alta temperatura, conduzindo à purificação e ao refinamento, seguidos de solidificação num cristalizador arrefecido a água.

Um forno de arco de vácuo pode criar um baixo potencial de oxigénio e condições de fusão a alta temperatura, o que o torna adequado para a fusão de metais refractários ou facilmente oxidáveis, como a platina, o tântalo e o tungsténio. Com o desenvolvimento da indústria mecânica, o processo de refusão por arco de autoconsumo em vácuo tem sido aplicado com êxito na produção de titânio e ligas de titânio, ligas de precisão, ligas de alta temperatura e metais refractários. Por conseguinte, desenvolveu-se rapidamente e cresceu em dimensão desde as décadas de 1940 e 1950. Nos processos de fusão especiais, a fusão por arco sob vácuo é um dos principais métodos de refusão e refinação. O diagrama esquemático da fusão por arco sob vácuo é apresentado na Figura 5-1.

1. Cristalizador de cobre; 2. Plataforma de operação; 3. Sistema de observação ótica; 4. Dispositivo de elevação do elétrodo; 5. Pólo do elétrodo; 6. Corpo do forno; 7. Elétrodo; 8. Sistema de vácuo; 9. Arco; 10. Lingote; 11. Bobina de controlo elétrico.

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

Durante o processo de fusão, o elétrodo em si não é consumido, ou é consumido apenas minimamente, pelo que é designado por não autoconsumo. Os fornos de arco de autoconsumo utilizam o metal a fundir como elétrodo, que se funde e sofre um refinamento a uma determinada velocidade durante o processo de arco, o que faz deste tipo de forno de arco um forno de arco de autoconsumo. Uma vez que a grande maioria dos fornos de arco de vácuo utilizados na produção de aço e de ligas são fornos de arco de autoconsumo, salvo indicação em contrário nas secções subsequentes, todas as referências serão feitas a fornos de arco de autoconsumo.

5.2 Introdução e classificação da estrutura dos fornos a arco sem auto-consumo com vácuo

5.2.1 Panorama estrutural

Existem vários tipos de fornos de arco de autoconsumo a vácuo, mas as suas estruturas básicas são as mesmas. A Figura 5-1 mostra um forno de arco de auto-consumo no vácuo. Um conjunto completo de equipamento para um forno de arco de autoconsumo de vácuo inclui o corpo do forno, o equipamento de alimentação, o sistema de vácuo, o sistema de controlo, o sistema de observação, o sistema de arrefecimento de água e outros componentes. O diagrama esquemático do princípio de refusão por arco de vácuo e o diagrama esquemático estrutural do forno de arco de vácuo de elétrodo autoconsumível são apresentados na Figura 5-2 e na Figura 5-3, respetivamente.

1. Elétrodo de auto-consumo de metal; 2. Zona de fase gasosa; 3. Zona de coluna de arco; 4. Poça de metal fundido; 5. Lingote.

1. Pólo negativo; 2. mecanismo de alimentação do elétrodo; 3. biela; 4. manga de vedação deslizante de vácuo; 5. corpo do forno; 6. braçadeira; 7. haste curta; 8. elétrodo de autoconsumo; 9. cadinho de cobre; 10. lingote fundido; 11. camisa de água; 12. pólo positivo; a. entrada de água de arrefecimento; b. saída de água de arrefecimento; c. escape da bomba de vácuo.

5.2.2 Classificação dos fornos a arco de vácuo de auto-consumo

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

5.3 Processo de refusão de aço e ligas

5.3.1 Fases da refusão por arco

O processo de refusão por arco pode ser dividido em quatro fases: eléctrodos de soldadura, arco, fusão normal e cobertura.

A soldadura é efectuada em vácuo ou numa atmosfera protetora. Uma camada de material de arranque do arco (geralmente do mesmo tipo de aparas) é espalhada na extremidade do elétrodo de autoconsumo a soldar e, em seguida, o elétrodo em barra é baixado para que o arco se produza entre o elétrodo de transição e o elétrodo de autoconsumo. Quando as duas extremidades da zona de formação do arco são aquecidas e o arco é estável com uma grande quantidade de fase líquida formada, a haste do elétrodo é rapidamente baixada para que as duas extremidades da zona de formação do arco fiquem em contacto estreito e sejam soldadas.

O objetivo do arco é formar um arco entre o elétrodo de autoconsumo e o material de arranque do arco na parte inferior do cristalizador, aumentar a temperatura da zona de arco e formar uma certa dimensão de poça de metal fundido na parte inferior do cristalizador, manter um arco estável entre o elétrodo de autoconsumo e a poça de metal fundido e fazer a transição da refusão do elétrodo de autoconsumo para o período normal de fusão.

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

O objetivo do topping é reduzir as cavidades de retração no topo do lingote refundido, reduzir a porosidade da zona de contração em "V" no topo, promover a flutuação final e a remoção de inclusões, reduzir a quantidade de corte da cabeça e aumentar a taxa de rendimento.

5.3.2 Parâmetros do processo

(1) Diâmetro do elétrodo de autoconsumo

O diâmetro do elétrodo de autoconsumo afecta 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 que é benéfica para melhorar o desempenho do processamento térmico (o ângulo entre a direção dos grãos colunares e o eixo do lingote é pequeno). Geralmente, a seguinte fórmula é utilizada para selecionar o diâmetro do elétrodo:

       d/D=0,65～0,85 (5-1)

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

Para o aço ou ligas, atualmente, d/D é geralmente selecionado no intervalo de 0,7 a 0,8. Selecionar o limite superior para lingotes de maior dimensão e o limite inferior para lingotes de menor dimensão.

Além disso, o diâmetro do elétrodo pode também ser determinado pela fórmula empírica seguinte

d=D-2δ (5-2)

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

Quando o elétrodo é um cilindro multifacetado, o valor representa a distância entre os bordos do elétrodo e a parede interior do cristalizador. Ao determinar o valor de δ, deve assegurar-se que este é superior ao comprimento do arco durante a fusão normal, de modo a eliminar o risco de gerar arcos de borda.

Durante a refusão de metais e ligas não ferrosos ou refractários, especialmente durante a primeira refusão sob vácuo (com uma grande quantidade de libertação de gases), a fim de remover completamente os gases e garantir um funcionamento seguro, δ deve ser maior do que o selecionado para a refusão do aço. Em geral, δ é selecionado no intervalo de 25 a 50 mm, com o limite superior para lingotes de maiores dimensões.

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

Fórmula	Unidade		Gama de aplicações	Observação
	I ou I	d ou D
	iA/cm2	d mm	Aço, ligas de aço, ligas à base de ferro ou à base de níquel.	i- Densidade da corrente  I- Corrente de fusão  d- Diâmetro do elétrodo 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 de níquel d=10～300 d/D=0.65～0.85

(2) Grau de vácuo:

O grau de vácuo tem um impacto direto na desoxidação, desgaseificação, volatilização de elementos, decomposição e remoção de inclusões durante o processo de refusão, bem como no comportamento do arco e na segurança do funcionamento. Por conseguinte, o grau de vácuo é um parâmetro de processo muito importante. Para melhorar o efeito de refinação, é necessário aumentar o grau de vácuo da câmara de fusão, mas para estabilizar o arco, o grau de vácuo não deve ser demasiado elevado, evitando especialmente a gama de pressão que causará uma descarga incandescente. A pressão da câmara de fusão deve ser mantida em cerca de 1,3 Pa.

(3) Atual:

A corrente de fusão determina a taxa de fusão do elétrodo de auto-consumo e a temperatura da poça de fusão. Uma corrente elevada conduz a uma temperatura elevada do arco e a uma taxa de fusão rápida do elétrodo, o que resulta numa melhor qualidade da superfície do lingote refundido. No entanto, a alta temperatura da poça de fusão aprofunda a profundidade da poça de fusão e faz com que a direção de cristalização do lingote refundido tenda para a horizontal. Como resultado, o desenvolvimento solto do lingote refundido aumenta, o desvio da composição aumenta, a anisotropia intensifica-se e o desempenho do processamento térmico deteriora-se.

Quando a corrente de fusão é pequena, embora a taxa de fusão seja baixa, a forma da poça de metal fundido é rasa e plana, e a direção de cristalização tende para axial, assegurando assim que o lingote refundido é denso, com inclusões pequenas e dispersas que podem flutuar para cima e para fora entre cristais dendríticos. A seleção da corrente de fusão deve também ter em conta o diâmetro do elétrodo, a dimensão do lingote e as propriedades físicas do produto refinado (como o ponto de fusão, a composição, a viscosidade, a condutividade térmica, etc.). No Quadro 5-1 são apresentadas expressões fórmulas para a seleção da 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 demasiado curto (menos de 15 mm), é provável que ocorram curtos-circuitos periódicos, provocando a flutuação da temperatura da poça de fusão, afectando assim a uniformidade da estrutura cristalina e a qualidade da superfície do lingote refundido. Se o arco for demasiado longo, o calor não é concentrado, a distribuição térmica da poça de fusão é desigual e a uniformidade da estrutura cristalina do lingote refundido é afetada, aumentando o risco de arco de borda. Na fusão por arco a vácuo, o controlo do comprimento do arco é basicamente o mesmo. Atualmente, o comprimento do arco é maioritariamente controlado dentro da gama de 22-26mm, correspondendo a uma tensão de 24-26V. O valor de δ nesta altura deve ser superior a 25 mm.

(5) Velocidade de fusão:

O número de quilogramas de líquido metálico fundido a partir do elétrodo de autoconsumo e que entra no cristalizador por unidade de tempo é designado por velocidade de fusão, que é geralmente expressa em kg/min. A velocidade de fusão (V) pode ser determinada pela distância (S, mm/min) que a régua ligada ao movimento ascendente e descendente do elétrodo de autoconsumo desce por unidade de tempo. A fórmula de cálculo é a seguinte

V= K-S (5-3)

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

(6) Taxa de fuga:

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

(7) Intensidade de arrefecimento:

A intensidade de arrefecimento do cristalizador afecta o processo de solidificação e a estrutura de fundição do lingote refundido. Na produção real, a intensidade de arrefecimento é afetada por factores como o caudal, a pressão, a temperatura de entrada e de saída da água de arrefecimento, bem como o tipo de lingote, o peso, o tipo de aço, a estrutura do cristalizador e a temperatura de fundição. Devido à complexidade destes factores, o caudal da água de arrefecimento é frequentemente ajustado de acordo com a experiência durante o funcionamento, de modo a que as temperaturas de entrada e saída da água estejam dentro do intervalo necessário, mantendo uma taxa de solidificação consistente com a taxa de fusão e mantendo estável a forma da piscina de metal fundido.

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 do intervalo de 45-50°C.

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

5.4.1 Macroscópico Defeitos do aço e ligas

Os defeitos macroscópicos comuns incluem principalmente a má qualidade da superfície e as fissuras dos lingotes refundidos.

(1) Má qualidade da superfície dos lingotes fundidos.

A caraterística da refusão por arco a vácuo é a operação sem escória num ambiente de baixa pressão. O líquido metálico após a refusão solidifica rapidamente no cristalizador arrefecido a água, o que pode causar defeitos na superfície, tais como cicatrizes, inclusões de escória, marcas pesadas e rotação da pele no lingote refundido.

(2) Fissuras

Podem existir fissuras no lingote ou no material durante o trabalho a quente ou após o seu acabamento. De acordo com as suas causas, as fissuras podem ser divididas em fissuras superficiais, fissuras causadas por buracos de retração e fissuras intergranulares.

5.4.1 Defeitos microscópicos do aço e das ligas

(1) Porosidade

Durante a solidificação, formam-se microporos entre os cristais dendríticos devido à contração do volume e ao suplemento insuficiente de líquido metálico. Este defeito pode ser ultrapassado seleccionando um sistema de processo de arranque de arco razoável e aumentando a potência de entrada durante um curto período de tempo (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 superior à taxa de solidificação).

(2) Segregação

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

5.5 Características da refusão por arco sob vácuo

(1) O processo de fusão é realizado num ambiente de baixa pressão, o que não só elimina a poluição do ar exterior para as ligas, mas também reduz o teor de gás e as impurezas nocivas com pontos de fusão baixos que são propensos à volatilização em aço e ligas, melhorando assim a pureza da liga.

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

(3) A fusão é efectuada num ambiente sem escórias ou materiais refractários, o que evita que inclusões estranhas provenientes destas duas fontes contaminem a liga.

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

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

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

(7) Um sistema de processo de selagem 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 por arco sob vácuo pode ser controlada.

(9) Em comparação com a refusão por arco elétrico, a qualidade da superfície e a densidade dos lingotes refundidos são inferiores e os orifícios de retração não podem ser completamente eliminados. Devido à má qualidade da superfície, os lingotes refundidos têm normalmente de ser descascados, o que resulta num rendimento metálico inferior.

(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 do trabalho a quente de lingotes refundidos produzidos por refusão a arco sob vácuo é inferior.

(12) É difícil controlar a composição das ligas que contêm elementos facilmente voláteis, como o manganês, durante a refusão por arco sob vácuo. Aquando da refusão do GCrl5, a perda de manganês no aço pode atingir 15-18% e o manganês evaporado condensa-se na parede interna do cristalizador, provocando um teor excessivo de manganês na superfície do lingote refundido. Este deve ser submetido a um processo de descasque antes do trabalho a quente.

(13) O equipamento é complexo e os custos de manutenção são elevados, o que resulta num aumento do custo de produção das ligas.

5.6 Variedades produzidas pelo forno de arco a vácuo

(1) Metais refractários e activos e respectivas ligas, tais 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, nomeadamente lingotes de grandes dimensões.

(5) Aço para rolamentos de alta qualidade.

(6) Aço rápido de secção larga e aço para ferramentas.

(7) Metais não ferrosos de elevada 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 só nas indústrias de soldadura, corte, pulverização e química, mas também na indústria metalúrgica, nomeadamente na fusão por plasma.

A fusão por plasma utiliza um arco de plasma como fonte de calor, que pode fundir materiais metálicos e não metálicos. Foi aplicada pela primeira vez no domínio da metalurgia no início da década de 1960 e foi principalmente utilizada para refinar materiais metálicos e fundir aços e ligas de elevada pureza e de desempenho especial, especialmente na produção de ligas de alta temperatura e de 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.
• Elevado caudal do arco de plasma.
• Combustão estável do arco de plasma.

6.1.2 Vantagens da fusão por plasma

O forno de fusão a plasma não só pode produzir ligas de aço e ligas, mas também pode fundir alguns metais refractários e metais activos, tais como W, Mo, Nb, Ta, Zr, Ti, etc. Este equipamento tem sido continuamente melhorado e desenvolvido rapidamente em termos de tecnologia e tem uma forte vitalidade económica, porque tem as seguintes vantagens

(1) Velocidade de fusão rápida e elevada 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 funcionar com diferentes atmosferas e pressões. Durante a fusão por plasma, podem ser utilizadas diferentes pressões e atmosferas (como redutoras ou inertes) no forno, de acordo com os diferentes requisitos do processo.

(6) Pode efetuar a refinação de escórias. O forno de plasma não só pode utilizar materiais finos para fusão, mas também pode utilizar materiais grosseiros, mesmo materiais com elevado teor de enxofre.

(7) Evita a possibilidade de adição de carbono.

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

(9) Pode azotar o metal.

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

(11) Vasta gama de materiais para refusão. Comparado com um forno de arco a vácuo, o forno de refusão a plasma pode não só refundir varetas, mas também blocos.

6.2 Fusão por 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 electrões de plasma, etc.

(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 refractários e elementos activos num cadinho refratário. O processo apresenta elevadas taxas de recuperação de ligas, descarbonetação efectiva e produz ligas de elevada 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 electromagnética. O PIM pode efetivamente dessulfurar, descarbonetar e desgaseificar materiais metálicos, e tem vantagens no controlo de elementos voláteis.

(3) A refusão por arco de plasma (PAR) funde o metal e a escória utilizando um arco de plasma numa atmosfera de gás inerte e solidifica num cristalizador arrefecido a água, produzindo bons resultados metalúrgicos.

(4) A refundição por plasma com feixe de electrões (PER) utiliza plasma de árgon para aquecer o cátodo de tântalo sob baixo vácuo, provocando a emissão de electrões térmicos. Estes electrões colidem com o material metálico do ânodo sob a influência de um campo elétrico, solidificando-se depois num cristalizador arrefecido a água. Este método pode efetivamente fundir titânio esponjoso e outros metais refractários.

1 - Pistola de plasma; 2 - Orifício de inspeção; 3 - Saída de aço; 4 - Bobina de indução; 5 - Cadinho; 6 - Elétrodo do fundo do forno; 7 - Casco do forno; 8 - Arco de plasma; 9 - Bocal de plasma; 10 - Funil de alimentação em liga metálica.

6.2.1 Fusão por indução com plasma (PIM)

O forno de indução de plasma é uma combinação de um forno de indução regular 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 tão alta quanto cerca de 1850 ℃, o que cria condições favoráveis para reduzir o teor de enxofre nos metais. Portanto, 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 por plasma funcionam normalmente em condições de pressão normal e podem também funcionar sob pressão negativa, se o processo o exigir.

Para obter metais com maior teor de [N], o forno de indução de plasma pode utilizar gás não ativo N2 ou N2+Ar como gás de trabalho. Ao formar um arco de plasma através de um fluxo de azoto e ao realizar a liga ao mesmo tempo, o teor de azoto no metal aumenta. Por vezes, para descarbonizar o aço líquido, algumas fábricas utilizam também o ar como gás de trabalho no forno de indução de plasma.

Este tipo de equipamento de fusão tem uma caraterística importante: pode funcionar com ou sem escória. Quando o processo de fusão necessita de utilizar a operação com escória, as tarefas de dessulfuração, desoxidação e descarbonetação podem ser concluídas. Quando se utiliza a operação sem escória, a superfície do metal líquido é diretamente aquecida por um arco de plasma de alta temperatura.

Como se mostra na Figura 6-1, o forno de indução de plasma é constituído pelas quatro partes seguintes: 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 com plasma é um método de fusão especial altamente competitivo que se aproxima ou ultrapassa o nível da fusão por indução com vácuo em termos de dessulfurização, remoção de impurezas não metálicas e redução do teor de gás no aço e nas 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 arrefecido a água; 8 - Cátodo de tungsténio; 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 de arco de plasma utiliza a temperatura ultra-alta e a atmosfera inerte do arco de plasma para fundir metais refractários e elementos activos num cadinho de material refratário. A liga tem uma elevada taxa de recuperação, pode descarbonizar eficazmente e tem uma elevada pureza.

A figura 6-2 mostra um forno de arco de plasma, que tem um aspeto semelhante a um forno de arco normal e está equipado com uma tampa de forno 2, uma porta de forno 10, uma saída de aço 4, um dispositivo de agitação electromagnética 5, uma pistola de plasma 1 e um ânodo inferior 7. Para evitar a poluição gasosa, o forno de arco de plasma pode também ser selado.

As pistolas são compostas por bocais de cobre arrefecidos a água e cátodos de tungsténio de cério (ou tungsténio de tório) arrefecidos a água. O bocal está isolado do cátodo de tungsténio de cério e permite a passagem de gás árgon. O gás árgon flui para o forno a partir da parte superior da pistola através da manga da pistola e ioniza-se em plasma. O corpo do forno é feito de materiais refractários e, na parte central do fundo do forno, existe uma barra de grafite (ou barra de aço-cobre arrefecida a água) enterrada como ânodo inferior. Quando energizado, o ânodo inferior é ligado ao pólo positivo da fonte de alimentação CC.

Devido à alta temperatura e ao calor concentrado do arco de plasma, e à fraca mistura causada por este tipo de arco, o metal na poça de fusão pode sobreaquecer e, por vezes, há pedaços não fundidos no fundo do forno. Para garantir uma agitação suficiente do metal durante o processo de fusão e para uniformizar a temperatura e a composição química da poça de fusão, são instaladas duas bobinas de cobre arrefecidas a água na camada exterior do material refratário no fundo do forno. A corrente de trabalho passa através delas para gerar um campo magnético e agitar o metal fundido.

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

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

O efeito de refinação demonstrado pelo forno de arco de plasma é muito significativo e pode ser utilizado para fundir vários tipos de aço e ligas, tais como aço para ferramentas de alta velocidade, aço resistente ao calor, aço para rolamentos, aço inoxidável de carbono ultra-baixo, ligas de precisão e ligas de alta temperatura.

Para além de fundir ligas de aço, o forno de arco de plasma também pode ser utilizado para fundir ligas de ferro. Durante o processo de produção de aço, quando a sucata de aço é fundida, a radiação da piscina de metal para a parede do forno é aumentada, acelerando os danos nos materiais refractários do revestimento do forno. A fim de prolongar a vida útil do revestimento do forno, alguns fornos eléctricos de arco são utilizados apenas como equipamento de fusão e as tarefas de refinação do aço líquido são realizadas na panela.

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

6.2.3 Refusão por arco de plasma (PAR).

O método de refusão por arco de plasma é um método de fusão especial que utiliza um arco de plasma para fundir metais numa atmosfera inerte ou controlada. Também pode ser considerado como um processo de refusão de metal. Durante o processo de refusão, as gotículas de metal fundido passam através da camada de escória e solidificam no cristalizador. Tal como a refusão por arco de elétrodo consumível a vácuo e a refusão por escória eléctrica, funde e solidifica ao mesmo tempo, ou seja, a fusão e a fundição do metal são realizadas simultaneamente. O material metálico refundido pode ser um material em barra ou em bloco. Quando se utilizam materiais em barra, o arco de plasma atinge diretamente o material em barra para o fundir.

Dependendo do tamanho do lingote, a refusão a plasma pode ser efectuada com uma única pistola ou com várias pistolas. Para o funcionamento com uma única pistola, a pistola de plasma é instalada verticalmente no centro da câmara do forno e a haste de alimentação estende-se para o interior da câmara do forno a partir do orifício de carregamento de material situado na parte lateral do corpo do forno (como se mostra na Figura 6-3). Para o funcionamento com várias pistolas, a haste de alimentação estende-se para o interior do forno a partir da parte superior 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 rápida e completamente a carga, esta deve ser adicionada ao centro da piscina fundida através de uma calha em funil. O invólucro do forno de refusão a arco de plasma adopta normalmente uma estrutura de dupla camada de aço inoxidável, com arrefecimento a água no meio. O cristalizador é colocado no centro do fundo da câmara do forno, uma extremidade da fonte de alimentação é ligada ao elétrodo na pistola de plasma e a outra extremidade é ligada à poça de fusão através do lingote de metal solidificado.

Antes da refusão, o forno é evacuado e o gás Ar é utilizado como gás de trabalho para a pistola de plasma. Durante o funcionamento, o gás é introduzido na câmara do forno enquanto o gás no interior do forno está a ser bombeado para fora, e a pressão no interior do forno é mantida a um determinado nível.

Em comparação com os fornos de arco de plasma e os fornos de indução de plasma, a diferença da refusão de plasma é que utiliza cristalizadores arrefecidos a água para fundir e solidificar simultaneamente o metal. Devido à elevada temperatura do arco de plasma, pode formar-se uma piscina de escória na superfície do metal fundido e uma fina camada de escória na superfície do lingote, resultando numa boa estrutura de fundição. Durante o processo de refusão, o metal tem proteção contra o gás Ar, pelo que as flutuações da composição química do metal são pequenas e o teor de gases e inclusões não metálicas é baixo. A quantidade total de inclusões e o teor de oxigénio no aço refundido por plasma são apenas inferiores aos da refusão por feixe de electrões.

Atualmente, este método de fusão pode ser utilizado para fundir aço para rolamentos, ligas de aço estrutural, aço resistente à corrosão, ligas de aço contendo azoto, metais refractários e respectivas ligas, aço para moldes a alta temperatura, ligas de precisão e metais activos.

7. Refusão em forno de feixe de electrões

7.1 Visão geral

A fusão por feixe de electrões (EBM) é um método metalúrgico que utiliza a elevada densidade de energia de um feixe de electrões para fundir metais, bombardeando-os com calor. Esta tecnologia tem sido aplicada em vários domínios, principalmente para a fusão, purificação e reciclagem de metais raros, metais preciosos e metais refractários. Pode também ser utilizada para produzir materiais semicondutores e monocristais de metais refractários e suas ligas.

A refusão por feixe de electrões (EBR) é um processo de refinação que utiliza um feixe de electrões de alta velocidade emitido por um canhão de electrões como fonte de calor para refinar materiais metálicos em condições de alto vácuo. A energia cinética do feixe de electrões é convertida em energia térmica, que funde e purifica o metal. O metal fundido é então arrefecido num cristalizador arrefecido a água para formar gotículas solidificadas.

Uma vez que o EBM é realizado em condições de alto vácuo, a temperatura de sobreaquecimento é elevada e o tempo de manutenção no estado líquido é longo, resultando numa purificação e refinamento eficazes do metal. O processo pode remover impurezas como a desgaseificação, a desoxidação e as impurezas voláteis do metal. Durante o processo de fundição dos lingotes, as impurezas flutuam para o topo e juntam-se no topo do lingote, enquanto os metais com elevado ponto de fusão se concentram na superfície. Removendo a parte superior do lingote e refinando a camada exterior, pode obter-se um lingote metálico de elevada pureza. A Figura 7-1 apresenta um diagrama esquemático de um forno de fusão por feixe de electrões.

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 barra de carregamento; 8 - Barra de carregamento; 9 - Sistema de deflexão do feixe de electrões; 10 - Canhão de electrões; 11 - Interface de vácuo do canhão de electrões; 12 - Feixe de electrões; 13 - Câmara de fusão; 14 - Cristalizador; 15 - Base do molde de lingote arrefecido a água; 16 - Carro de lingote; 17 - Mecanismo de reboque; 18 - Estrutura do mecanismo de reboque;

O processo de refusão por feixe de electrões começou com a fusão de metais refractários, como o tântalo, o nióbio, o háfnio, o tungsténio e o molibdénio, mas expandiu-se agora para a produção de materiais semicondutores, ligas magnéticas de alto desempenho e alguns aços especiais, como o aço para rolamentos, o aço inoxidável resistente à corrosão e o ferro puro de carbono ultra-baixo. Além disso, o forno de refusão por feixe de electrões pode também ser utilizado para fundir certas ligas resistentes ao calor, especialmente as que contêm tungsténio e molibdénio com nióbio ou tântalo como componente principal. Segundo consta, a antiga União Soviética também utilizava fornos de fusão por feixe de electrões para fundir cobre e níquel. Para além de ser utilizado para fundir materiais metálicos como o aço e as ligas, o processo de fusão por feixe de electrões também pode ser utilizado para fundir cerâmica e vidro com diferentes propriedades.

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

(1) Uma vez que a fusão por feixe de electrões é realizada em condições de vácuo, o estado de fusão do material pode ser controlado em qualquer momento, podendo assim obter-se materiais refractários de elevada pureza.

(2) A elevada densidade de energia do feixe de electrões permite ajustar facilmente a densidade de energia da superfície da poça de fusão, controlando a convergência e a divergência do feixe, o que possibilita a fusão de metais refractários.

(3) O controlo da automatização é fácil, o que a torna segura e fiável, especialmente com a aplicação da tecnologia informática moderna, da tecnologia eletrónica e da tecnologia de automatização. Isto facilita a extração e a obtenção de materiais de elevada pureza a partir de materiais refractários.

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

No entanto, este método de refusão tem algumas desvantagens, como a baixa produtividade, a estrutura complexa do equipamento, a necessidade de utilizar uma fonte de alimentação CC de alta tensão e os elevados custos de investimento em equipamento. Por conseguinte, este método de fusão é difícil de se tornar o principal método de fusão especial. Do ponto de vista dos custos de produção, a refundição por feixe de electrões é a mais elevada. Se o custo de produção de aço especial utilizando métodos de fusão normais for considerado como 1, então os custos de outros métodos de fusão para fundir a mesma capacidade e tipo de aço são 1,75 para a refusão em forno elétrico de arco, 2,03 para a refusão em arco de plasma, 2,4 para a refusão em arco de vácuo e 2,72 para a refusão por feixe de electrões.

7.2 Princípios básicos da refusão por feixe de electrões

O princípio de funcionamento da refusão por feixe de electrões é semelhante ao de um díodo de vácuo, em que o cátodo e o ânodo são colocados numa câmara de vácuo e ligados aos pólos negativo e positivo de uma fonte de alimentação de corrente contínua, respetivamente. Quando o cátodo é aquecido por outra fonte de energia, a temperatura aumenta e alguns electrões livres no material do cátodo são excitados e emitidos devido ao calor.

Se o cátodo e o ânodo estiverem ligados a uma determinada tensão de alimentação de corrente contínua, os electrões excitados são sujeitos a uma certa intensidade de campo elétrico e são acelerados e dirigidos para o ânodo. No forno de refusão por feixe de electrões, os electrões em movimento rápido bombardeiam o material metálico do ânodo e a energia cinética dos electrões é convertida em energia térmica no ânodo, aquecendo-o e fundindo-o. O princípio do processo de refusão por feixe de electrões é apresentado na Figura 7-2.

7.3 Equipamento principal do forno de refusão por feixe de electrões

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

1. Sistema de geração do feixe de electrões; 2. válvula de vácuo; 3. sistema de vácuo; 4. sistema de focagem 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 controlo.

Nesta secção, serão apresentadas as principais partes do corpo do forno, com destaque para o canhão de electrões. Para além disso, existem também a câmara de vácuo, o cristalizador e o mecanismo de alimentação e tração.

7.3.1 Pistola de electrões

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

A forma externa do canhão axial é semelhante a um cilindro e a sua estrutura interna é mostrada na Figura 7-4. O diagrama de princípio e o modelo de simulação tridimensional do canhão de electrões são apresentados nas figuras 7-5 e 7-6, respetivamente. O feixe de electrões é emitido pelo cátodo do bloco, acelerado pelo ânodo, focalizado pela bobina de focalização e dirigido para o metal aquecido a uma velocidade muito elevada sob o controlo da bobina de deflexão, fundindo assim o metal.

O canhão de electrões é composto pelo elemento de emissão do feixe de electrões, cátodo formador do feixe, ânodo de aceleração, coletor de iões, sistema de focalização do feixe de electrões e sistema de deflexão do feixe de electrões. O elemento de emissão do feixe de electrões é constituído por 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 40-50A (tensão 5V) passa pelo fio de tungstênio, ele pode ser aquecido a cerca de 2800 ℃. A tensão entre o cátodo de aquecimento e o cátodo emissor é de 1500 V DC, na qual os elétrons térmicos emitem do fio de tungstênio e atingem o cátodo emissor sob o campo elétrico.

1. Pote de cerâmica isolante; 2. Porta de bombagem de vácuo; 3. Filamento; 4. Cátodo de bloco; 5. Ânodo acelerador; 6. Entrada/saída de água de arrefecimento; 7,9. Bobina de focagem;8. Feixe de electrões; 10. Tubo guia; 11. Bobina de deflexão.

1. Fonte de alimentação do 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 electrões; 7. bobina de focalização; 8. ânodo (terra); 9. cátodo.

1. Suporte de chumbo; 2. Sistema de geração do feixe de electrões; 3. Conector em T; 4,5. Primeira e segunda lentes magnéticas; 6. válvula de vácuo; 7. sistema de deflexão magnética.

7.3.2 Cristalizador

O cristalizador do forno de feixe de electrões é semelhante ao do forno de arco de vácuo, que é feito de cobre púrpura e arrefecido a água. O fundo do cristalizador tem dois tipos: fixo e móvel (utilizado para puxar lingotes). Além disso, a secção 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 electrões é um tipo de equipamento que funde e solidifica ao mesmo tempo. Quando a barra de metal é continuamente fundida, a barra não fundida deve ser imediatamente empurrada para a área de bombardeamento do feixe de electrões. O mecanismo de alimentação é maioritariamente acionado por transmissão mecânica. Há dois tipos de dispositivos de alimentação: longitudinal e transversal, e há também um tipo transversal com alimentação alternada de dois lados.

7.3.4 Mecanismo de tração

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

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

7.4.1 Processo de refusão por feixe de electrões

(1) Antes de ligar 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 refundidos devem ser preparados.

(2) Antes da fusão, instalar o cristalizador e o material da haste, depois selar o forno e evacuar. Quando o grau de vácuo no forno atingir (1~3)×10mmHg (0.00133~0.00399Pa), começar a aquecer o cátodo e arrefecer com água ao mesmo tempo.

(3) A potência não deve ser demasiado elevada quando se começa a aplicar a potência. Aumentar 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 prestar-se especial atenção para evitar que o feixe de electrões atinja a parede do cristalizador e a danifique, provocando acidentes. Durante o processo de refusão, o momento da extração deve ser determinado com base no nível de líquido da piscina de metal, prestando igualmente atenção à coordenação entre a velocidade de extração e a taxa de fusão do metal.

7.4.2 Características metalúrgicas da refusão por feixe de electrões

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

(1) A refusão por feixe de electrões é realizada em condições de vácuo muito elevado (até ~0,00133Pa). Tem um grau de vácuo muito mais elevado do que o forno de indução a vácuo e o forno de arco a vácuo. Por conseguinte, é muito mais completo e minucioso na remoção de gases, inclusões não metálicas e certos elementos nocivos dos metais, e a taxa de purificação e reação de refinamento é superior à de outros fornos de vácuo.

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

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

(4) A capacidade de controlo do feixe de electrões é boa, pelo que a posição de aquecimento da poça de fusão pode ser controlada através do controlo do feixe de electrões, assegurando assim uma distribuição uniforme da temperatura da poça de fusão. Isto ajudará a obter lingotes metálicos com excelente qualidade de superfície e estrutura cristalina.

(5) O forno de feixe de electrões não só pode fundir materiais em barras, como também pode ser concebido para fundir blocos, aparas ou materiais metálicos em pó.

7.5 Efeito da refusão por feixe de electrões

Os materiais refundidos por feixe de electrões são de alta qualidade e podem reduzir o teor de elementos de baixo ponto de fusão e de fácil evaporação para um nível muito baixo. Pode ser utilizado para a 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 tungsténio e molibdénio da mais elevada pureza; em comparação com o chumbo fundido em forno de arco de vácuo, o chumbo refundido tem uma pureza mais elevada, que pode ser utilizada para componentes de controlo de reactores nucleares submarinos; os lingotes de vanádio refinado podem ser utilizados para o fabrico de peças de reactores nucleares submarinos.

A principal vantagem da fusão por feixe de electrões para o aço é a grande redução das impurezas metálicas e não metálicas e dos elementos de impureza. A fusão em fluxo contínuo ou a refinação em leito frio de aços especiais e ligas super-resistentes ao calor pode reduzir significativamente os custos de produção.

7.5.1 Remoção de gás e inclusões em metais

A maior caraterística da fusão por feixe de electrões é que pode manter o vácuo elevado, a temperatura elevada e o metal líquido durante muito tempo. Por conseguinte, é muito vantajoso para remover gases, elementos de impureza e os seus óxidos de baixa valência. Através de experiências com diferentes materiais, foi também provado que o material obtido após a refusão por feixe de electrões tem a pureza mais elevada, o que pode melhorar e reforçar consideravelmente o desempenho dos metais. O método de refusão por feixe de electrões não só tem uma boa capacidade de desgaseificação para ligas, mas também para metais puros. Para alguns metais para fins especiais, é possível obter uma pureza ainda mais elevada através de múltiplos métodos de refusão.

O teor de gás no metal após a refusão está relacionado com o número de refusões e com o tempo de cada refusão. Quanto maior for o tempo de refusão, menor será o teor de oxigénio e azoto no metal. No entanto, prolongar o tempo de refusão significa reduzir a taxa de fusão, o que irá diminuir a taxa de produção e aumentar os custos de produção, pelo que deve ser considerado de forma abrangente.

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

7.5.2 Melhoria das propriedades dos metais

Devido à capacidade da refusão por feixe de electrões para reduzir significativamente o teor de gás e de inclusões nos metais e melhorar as condições de solidificação, as propriedades dos metais refundidos são significativamente melhoradas. De acordo com os relatórios, após a refusão por feixe de electrões, o teor de azoto, hidrogénio e oxigénio nas ligas resistentes ao calor é reduzido em 60-70%, 40-50% e 70-80%, respetivamente, e o desempenho da liga é significativamente melhorado. Na refusão de aço estrutural por feixe de electrões, em comparação com os métodos de fusão normais, o alongamento do material aumentou 35%, a contração da secção transversal aumentou 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 deste tipo de liga na China. As principais ligas para selagem com vidro são 4J29, 4J49, 4J52, 4J54 e 4J6, enquanto as principais ligas para selagem com cerâmica são 4J33 e 4J34.

Entre eles, 4J29 pertence a uma liga de expansão fixa, que tem um certo coeficiente de expansão linear na faixa de -60 ℃ a + 400 ℃. É usado para combinar e selar com vidro duro, e é amplamente utilizado como material estrutural de vedação na indústria 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 sendo tiras.

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 utilizado em indústrias como rádio, instrumentos de precisão, instrumentação e outros.

8.1.1 Normas relevantes para ligas de expansão

Os requisitos de composição e 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 à temperatura ambiente

8.1.2 Refinação da liga de expansão 4J36

As formas de produto da liga de expansão incluem principalmente fios, tiras, tubos e barras redondas. A forma mais utilizada é a tira, e o equipamento principal utilizado na produção inclui fornos eléctricos, martelos de forja (3-5t), moinhos de corte, fornos de recozimento, máquinas de endireitar, máquinas de moer, soldadura por arco de árgonLaminadores a frio de quatro rolos (multi-rolos), fornos de recozimento contínuo, equipamento de tratamento de superfícies, etc.

8.2 Processos típicos de fusão de ligas magnéticas macias

Desde a descoberta inicial das ligas de ferro-níquel no século XIX até à série subsequente de estudos experimentais no século XX, bem como a utilização da refinação em vácuo, as propriedades das ligas foram muito melhoradas. Com o aprofundamento da investigação e as necessidades de aplicações práticas, outros elementos como o molibdénio, o cobre e o crómio foram adicionados aos sistemas binários, criando assim uma série de materiais como a famosa liga super-Invar, a liga de cobre-permalha com maior permeabilidade inicial e a liga de crómio-níquel-ferro com maior resistividade eléctrica. Dois parâmetros fundamentais são: a constante de anisotropia do cristal magnético K e a constante de magnetostricção λ, que determinam o processo técnico de magnetização e as propriedades magnéticas da liga.

Ligas magnéticas macias de ferro-níquel. As características destas ligas incluem principalmente: elevada permeabilidade e força coerciva muito pequena em campos magnéticos fracos (ou médios); bom desempenho de processamento, pode ser transformado em dispositivos de forma complexa; boa resistência à ferrugem; alguns materiais têm propriedades magnéticas especiais após um processamento específico, tais como laços de histerese rectangulares, magnetismo residual muito baixo ou permeabilidade constante numa gama 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 molibdénio. Esta liga tem maior μi e menor Hc em comparação com 1J77 e 1J85, e seu valor μm é próximo a eles. Como a liga contém molibdénio 6%, a resistividade é mais elevada, o que melhora o desempenho magnético a frequências mais elevadas. Para obter propriedades magnéticas estáticas mais elevadas, não é adicionado silício ou manganês à liga, uma vez que a sua influência nas propriedades magnéticas é menos significativa do que a do níquel e do molibdénio. A adição de manganês 1% e de uma pequena quantidade de silício à liga tem por objetivo melhorar a estabilidade térmica 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 a alta temperatura

A fim de garantir que as ligas de alta temperatura têm 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 pureza da liga dependem da tecnologia de fundição. Por conseguinte, o processo de fundição é um elo fundamental no processo de produção de ligas de alta temperatura.

Devido ao elevado grau de liga, as ligas de alta temperatura contêm uma grande quantidade de elementos pesados, como o tungsténio, o molibdénio, o nióbio e o crómio, bem como elementos facilmente oxidáveis, como o alumínio, o titânio e o boro. Estas características determinam que as ligas de alta temperatura tenham requisitos rigorosos para os processos de fundição e utilizem geralmente a fundição a vácuo. Atualmente, a maior parte das ligas são fundidas em fornos de indução a vácuo ou em fornos de indução atmosférica, sendo depois submetidas a fornos consumíveis a vácuo ou a refusão por electroslag para melhorar a sua pureza e obter boas microestruturas e propriedades.

O equipamento nacional e estrangeiro para a fundição de ligas de alta temperatura inclui fornos de arco, fornos de indução, fornos de indução a vácuo, fornos de arco a vácuo e fornos de escória eléctrica. Além disso, existem fornos de feixe de electrões e fornos de plasma.

Nos muitos anos de prática de produção da China, a exploração e o desenvolvimento contínuos conduziram a várias combinações de métodos de fundição, desde a fundição inicial em forno de arco até ao atual processo de fundição, como se mostra no Quadro 8-7.

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

8.3.3 Seleção das rotas do processo metalúrgico

Para a fundição especial, existem muitas opções comuns para esquemas de fluxo de processo. É possível utilizar um único método de fusão 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 devem ser consideradas de forma exaustiva em relação a aspectos como o consumo de energia, o investimento em equipamento, os indicadores técnicos e económicos e a qualidade da fundição.

Tabela 8-8 Fluxos de processos especiais comuns de fundição