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

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

• Introdução • Processo pioneiro na metalurgia de aços especiais • Adequado à refusão de metais e ligas • Tipos: eletrodo consumível e eletrodo não-consumível (W-1%ThO2) • Possibilidade de processar metais e ligas em vácuo ou em atmosfera inerte (Ar) EEL- USP

• 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

EEL- USP Consarc, USA

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

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

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

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

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

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

Risco de instabilidade do arco! • Princípio de operação 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!!! EEL- USP

• Vantagens e desvantagens • 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). EEL- USP

Temperatura (K) Pressão de vapor EEL- USP

Temperatura (K) Pressão de vapor EEL- USP

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

• Vantagens e desvantagens 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) • Piscina muito profunda • Distúrbios de origem magnética A. Mitchell, Mater.Sci. Eng. A243 (1998) 257–262. EEL- USP

• Vantagens e desvantagens Defeitos metalúrgicos associados: • Tree-ring patterns (menos nocivos às propriedades, exceto se associados a carbonetos, vindo a formar freckles). EEL- USP X. Xu et al. Metall. Trans. 33A (2002) 1795-1804.

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

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

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

• Exemplos Variação composicional e trajetória das inclusões na fase líquida EEL- USP K. M. Kelkar et al., Intl. Conf. On Titanium, 2007.

• Exemplos 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) EEL- USP

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

EEL- USP

• 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$ 1.387.769,50 ( EUR 540.000,00) + R$ 550.000,00 (civil + utilidades) • Local e previsão do início das operações (start-up): COPPE-UFRJ, Outubro/2008 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) EEL- USP

• Laboratório Multiusuários de Fusão a Arco Composição típica das ligas de zircônio para uso em reatores nucleares 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: 5,0.10-3mbar (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 EEL- USP

• Parâmetros típicos dos testes de comissionamento EEL- USP

• Parâmetros típicos dos testes de comissionamento EEL- USP

• Parâmetros típicos dos testes de comissionamento EEL- USP

• Parâmetros típicos dos testes de comissionamento EEL- USP

Vista geral do forno VAR L 200 EEL- USP Vista geral do forno VAR L 200

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

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

Importância do gap uniforme (Delec/Dcrucible  0,75) EEL- USP Importância do gap uniforme (Delec/Dcrucible  0,75)

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

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

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

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

EEL- USP Aço CK- 45, após VAR

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

Agradecimentos: EEL- USP