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Processamento de metais e ligas via fusão em forno a arco Dr. Hugo Ricardo Zschommler Sandim Universidade de São Paulo - USP Escola de Engenharia de Lorena.

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1 Processamento de metais e ligas via fusão em forno a arco Dr. Hugo Ricardo Zschommler Sandim Universidade de São Paulo - USP Escola de Engenharia de Lorena - EEL Departamento de Engenharia de Materiais - DEMAR EEL- USP

2 Conteúdo Introdução Princípio de operação Vantagens e desvantagens Exemplos Laboratório Multiusuários de Fusão a Arco EEL- USP

3 Introdução Processo pioneiro na metalurgia de aços especiais Adequado à refusão de metais e ligas Tipos: eletrodo consumível e eletrodo não-consumível (W-1%ThO 2 ) Possibilidade de processar metais e ligas em vácuo ou em atmosfera inerte (Ar) EEL- USP

4 Introdução Aplicações típicas: refusão de metais e ligas fundidos ao ar ou via VIM. Materiais tipicamente processados por VAR: aços, superligas e ligas de titânio e zircônio. Promove o refinamento da microestrutura, baixa a fração e o tamanho médio das inclusões e minimiza a ocorrência de micro e macrosegregação. Promove um aumento significativo na tenacidade e na resistência à fadiga destes materiais Processamento de aços limpos e ultra-limpos (baixa fração volumétrica de inclusões) Assegura o refino de impurezas voláteis e intersticiais (hidrogênio, por exemplo) EEL- USP

5 Consarc, USA

6 Schematics of the VAR furnace 1. Electrode feed drive 2. Furnace chamber 3. Melting power supply 4. Busbar/cables 5. Electrode ram 6. Water jacket with crucible 7. Vacuum port 8. X-Y adjustment 9. Load cell system EEL- USP ALD Vacuum Technologies GmbH, Germany Princípio de operação

7 EEL- USP Princípio de operação Gartling and Sackinger, Intl. J. Numerical Methods in Fluids, 24 (1997) 1271–1289.

8 EEL- USP Modos de controle: Velocidade de fusão (melt rate) Tensão do arco Princípio de operação

9 EEL- USP Modos de controle: Velocidade de fusão (melt rate) – depende de experiência acumulada num dado material/eletrodo Tensão - depende fortemente da estabilidade do arco Princípio de operação

10 EEL- USP Ciclo típico de fusão a arco (VAR) K. M. Kelkar et al., Intl. Conf. On Titanium, 2007.

11 EEL- USP Tipos de eletrodos: Maciços (lingotes) Sucata (aparas metálicas e/ou cavacos prensados) Pós prensados (briquetes) Princípio de operação

12 EEL- USP Tipos de eletrodos: Maciços (lingotes) Sucata (aparas metálicas e/ou cavacos prensados) Pós prensados (briquetes) Risco de instabilidade do arco! Princípio de operação

13 EEL- USP Tipos de eletrodos: Sucata (aparas metálicas e/ou cavacos prensados) Pós prensados (briquetes) Risco de instabilidade do arco! d varia durante a queda do fragmento Problema real na fusão de ligas reativas e refratárias !!! Princípio de operação

14 EEL- USP Possibilidade de refino de elementos voláteis e gasosos Limitado à pressão de trabalho na câmara de fusão (baixo vácuo) Efetivo para remoção de hidrogênio em aços Inibe a absorção de intersticiais durante a fusão, crítico no caso de ligas reativas ou contendo elementos reativos (Nb, Ti e Zr, por exemplo). Vantagens e desvantagens

15 EEL- USP Pressão de vapor Temperatura (K)

16 EEL- USP Pressão de vapor Temperatura (K)

17 EEL- USP Qualidade metalúrgica do produto: Depende fortemente de diversas variáveis: Velocidade de fusão, estabilidade do arco (tensão e corrente), qualidade do eletrodo, homogeneidade e uniformidade estrutural do eletrodo, pressão na câmara... Vantagens e desvantagens Quando variações apreciáveis ocorrem....

18 EEL- USP Defeitos metalúrgicos associados: White spots (áreas pobres em solutos. Ex.: Nb e Ti menores que o nominal em IN 718) Causas: Variação da tensão do arco e, portanto, das condições de fusão; Colapso localizado do eletrodo; Queda da coroa (splatter) Freckles (anéis segregados com elevada fração de carbonetos – macrosegregação) Causas: Piscina muito profunda Distúrbios de origem magnética Vantagens e desvantagens A. Mitchell, Mater.Sci. Eng. A243 (1998) 257–262.

19 EEL- USP Defeitos metalúrgicos associados: Tree-ring patterns (menos nocivos às propriedades, exceto se associados a carbonetos, vindo a formar freckles). Vantagens e desvantagens X. Xu et al. Metall. Trans. 33A (2002)

20 EEL- USP Efetivo na remoção de inclusões: Dissociação térmica de óxidos e nitretos mais instáveis Flotação (ex.: alumina, TiN e TiCN) Vantagens e desvantagens

21 EEL- USP AIM Maraging C300, 1%Ti AIM + VAR Redução da fração de inclusões S.R. Elmi Hoseini et al., Vacuum 82 (2008) 521–528 Exemplos

22 EEL- USP Maraging C300 Redução do teor de intersticiais S.R. Elmi Hoseini et al., Vacuum 82 (2008) 521–528 1%Ti 1,5%Ti 2%Ti Exemplos

23 EEL- USP K. M. Kelkar et al., Intl. Conf. On Titanium, Variação composicional e trajetória das inclusões na fase líquida Exemplos

24 EEL- USP Observação importante: VAR não realiza milagres! A qualidade da matéria-prima é essencial. Muitas vezes, outras operações de fusão e refino são necessárias (Ex.: EBCHMR) Exemplos

25 EEL- USP Inclusões em ligas de titânio (Ti-6Al-4V) A. Mitchell, Materials Science and Engineering A 243 (1998) 257–262. LDI HDI Exemplos

26 EEL- USP

27 Laboratório Multiusuários de Fusão a Arco Proposta: Atuar como laboratório aberto para experimentos envolvendo fusão a arco na modalidade multiusuários. Um comitê gestor próprio (multi- institucional) existe para analisar a viabilidade e a adequação das propostas. Promover a interação indústria-academia. Órgão financiador e instituições participantes: FINEP UFRJ + INB + IME, EEL-USP (consultoria) Capital (equipamento + utilidades): R$ ,50 ( EUR ,00) + R$ ,00 (civil + utilidades) Local e previsão do início das operações (start-up): COPPE-UFRJ, Outubro/2008

28 EEL- USP Laboratório Multiusuários de Fusão a Arco Testes iniciais: produção de ligas de zircônio para a área nuclear (INB) Ajuste da composição: fusão de esponja de Zr + elementos de liga voláteis Possibilidade de reciclar grande volume de cavacos de usinagem existentes Outros materiais para testes futuros: superligas à base de Ni e aços especiais (parcerias industriais)

29 EEL- USP Laboratório Multiusuários de Fusão a Arco Composição típica das ligas de zircônio para uso em reatores nucleares

30 EEL- USP Parâmetros típicos dos testes de comissionamento Local e período: ALD, Hanau (Alemanha), 12-20/04/2008 Material: Aço CK- 45 (0,45%C; 0,7%Mn; Cr+Ni+Mo 0,70%) Dimensões do eletrodo consumível: = 150 mm, L = 1000 mm (140 kg) Dimensões do cadinho de cobre = 200 mm, L = 850 mm Pressão: 5, mbar (bombas roots) Tensão do arco na fusão: 24 V (DC) Corrente de fusão: 4,0 kA Hot top: 2,5 kA / 23 V / 5 min + 1,5kA / 23 V / 15 min Velocidade de fusão: 2,0-2,5 kg/min

31 EEL- USP Parâmetros típicos dos testes de comissionamento

32 EEL- USP Parâmetros típicos dos testes de comissionamento

33 EEL- USP Parâmetros típicos dos testes de comissionamento

34 EEL- USP Parâmetros típicos dos testes de comissionamento

35 EEL- USP Vista geral do forno VAR L 200

36 EEL- USP Detalhe do sistema de proteção em caso de inundação da câmara de fusão

37 EEL- USP Vista geral do cadinho de cobre (200 mm)

38 EEL- USP Importância do gap uniforme (D elec /D crucible 0,75)

39 EEL- USP Detalhe do display indicando o progresso da fusão

40 EEL- USP Vista geral da piscina e do arco durante a fusão

41 EEL- USP Detalhe da bottom plate e da superfície do lingote

42 EEL- USP Detalhe do topo de um dos cinco lingotes de aço fundido nos testes

43 EEL- USP Aço CK- 45, após VAR

44 EEL- USP Vista geral do futuro Laboratório Multiusuário de Fusão a Arco

45 Agradecimentos: EEL- USP


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