BR112020012409B1 - Um processo para refino de uma liga de metal contendo nitrogênio - Google Patents

Abstract

A presente invenção se refere a um processo para refino de uma liga de metal contendo nitrogênio utilizando refusão de arco de um eletrodo consumível em uma fornalha, compreendendo: - provisão de um eletrodo consumível da liga de metal; - provisão de um segundo eletrodo; - provisão de uma atmosfera controlada dentro da fornalha; - ataque de um arco entre o eletrodo consumível e o segundo eletrodo para fundir o eletrodo consumível e em conseqüência disso formar uma piscina de liga de metal fundido; - manutenção do arco entre o eletrodo consumível e a piscina de liga de metal fundido; - entrega da liga de metal fundido para um molde e fundindo um lingote de liga de metal refinado, em que provisão da atmosfera controlada compreende fluência de gás de Ar através da fornalha em uma pressão de gás de Ar de 1 Pa ? 500 Pa.

Description

CAMPO TÉCNICO

[0001] A presente invenção se refere a um processo para refino de uma liga de metal contendo nitrogênio utilizando refusão de arco de um eletrodo consumível.

PANORAMA E ESTADO DA TÉCNICA

[0002] Refusão de arco a vácuo [Vacuum Arc Remelting (VAR)] é um processo utilizado para refino de ligas de metal de maneira tal a conseguir melhor resistência para deformação e fadiga. No processo de VAR, um eletrodo consumível de uma liga de metal que é para ser refinada é posicionado em uma câmara de vácuo de uma fornalha de VAR, um segundo eletrodo é proporcionado abaixo do eletrodo consumível, e um arco é atacado (atingido) entre os eletrodos. O eletrodo consumível, em conseqüência disso, começa a fundir e uma piscina de liga de metal fundido é formada. O arco é mantido entre o eletrodo consumível e a piscina de liga de metal fundido, a liga de metal fundido é entregue para um molde e um lingote de liga de metal refinado é fundido (moldado). A patente norte americana número US 4.578.795 apresenta um exemplo de um processo e fornalha de VAR.

[0003] Em particular, VAR é utilizado para refino de ligas de metal que são para serem utilizadas, por exemplo, em aplicações aeroespaciais, ou na indústria de petróleo e gás, tais como ligas de aço inoxidável, superligas com base sobre ferro (Fe), cobalto (Co) ou níquel (Ni), e ligas de aço altamente ligadas. No processo de VAR, inclusões não metálicas e bem como elementos voláteis de elementos prejudiciais podem ser removida/os a partir da liga de metal. Entretanto, no processo de VAR, também elementos voláteis que possuem um efeito benéfico sobre a liga de metal podem ser volatilizados e perdidos devido para o fato da baixa pressão dentro da fornalha de VAR. Por exemplo, um conteúdo der nitrogênio (N) da liga de metal é tipicamente reduzido durante o processo de VAR. Em muitos casos, é impossível aumentar o conteúdo de nitrogênio na liga de metal do eletrodo consumível sem exceder a solubilidade de nitrogênio da liga de metal e, em conseqüência disso, formar bolhas (blisters). Bolhas possuem um impacto negativo sobre o processo de VAR por provocação de vibrações e pressão de vácuo instável na câmara de fornalha.

[0004] Para algumas ligas, refusão de arco é desempenhado com uma pressão de gás de Ar, por exemplo, de 30 kPa dentro da fornalha para reduzir a perda de nitrogênio. Entretanto, foi descoberto determinar geração para um arco instável e vibrações substanciais, o que limita o tamanho dos lingotes que podem ser produzidos.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[0005] É um objetivo primário da presente invenção o de proporcionar um processo de refino de uma liga de metal contendo nitrogênio utilizando refusão de arco de um eletrodo consumível, que em pelo menos algum aspecto alivia as desvantagens anteriormente mencionadas. Em particular, é um objetivo da presente invenção o de proporcionar um processo por intermédio do qual uma redução de conteúdo de nitrogênio da liga de metal pode ser diminuído, de maneira tal que a liga de metal refinado pode obter um conteúdo de nitrogênio próximo para aquele da liga de metal antes de refino.

[0006] Pelo menos o primeiro objetivo da presente invenção é conseguido por intermédio do processo em concordância com a reivindicação de patente independente 1. Concretizações vantajosas do processo são apresentadas nas reivindicações de patente dependentes.

[0007] Por fluência de gás de Ar através da fornalha em uma pressão relativamente baixa de 1 Pa - 500 Pa, volatização de nitrogênio (N) é prevenida e a redução de N na liga de metal durante o processo de refusão de arco é, em conseqüência disso, diminuída. A liga de metal refinado pode obter um conteúdo N que é próximo para aquele da liga de metal não refinado do eletrodo consumível.

[0008] A pressão de argônio (Ar) e os outros parâmetros de processo, tais como voltagem de arco e distância entre de eletrodos entre o eletrodo consumível e a piscina de liga de metal fundido, deveriam ser de maneira tal que um arco estável e difuso é mantido entre o eletrodo consumível e a piscina de liga de metal fundido. A pressão de gás de Ar deve ser suficientemente baixa de maneira tal que nenhum plasma venha a ser criado. Um plasma pode conduzir para que o arco venha a se tornar contraído e, em conseqüência disso, estacionário, resultando em uma fusão indesejada do eletrodo consumível e uma volatização de nitrogênio aumentada. Por manutenção da pressão de gás de Ar suficientemente baixa, o arco tem capacidade para rapidamente esquadrinhar (escanear) a superfície de eletrodo consumível e, em conseqüência disso, o processo de fusão é mais fácil para ser controlado.

[0009] Em concordância com uma concretização, a pressão de gás de Ar (PAr) > 2 Pa. Em concordância com uma outra concretização, PAr > 5 Pa. Em concordância com uma outra concretização, PAr > 10 Pa. Em concordância com uma outra concretização, PAr > 20 Pa, e em concordância com ainda uma outra concretização, PAr > 50 Pa. A presença de uma suficiente pressão de gás de Ar irá garantir que o efeito técnico objetivado, a saber, uma significativa prevenção de volatilização de N na liga de metal, é conseguida.

[0010] Como mencionado anteriormente, a pressão de gás de Ar não deve ser excessivamente alta. Em concordância com uma concretização, PAr < 500 Pa. Em concordância com uma concretização, PAr < 400 Pa. Em concordância com uma concretização, PAr < 300 Pa. Em concordância com uma concretização, PAr < 200 Pa.

[0011] Em concordância com uma concretização, a pressão de gás de Ar é a partir de 2 Pa até 500 Pa. Em concordância com uma concretização, a pressão de gás de Ar é a partir de 1 Pa - 100 Pa. Em concordância com uma outra concretização, a pressão de gás de Ar é de 2 Pa - 50 Pa, e em concordância com ainda uma outra concretização, a pressão de gás de Ar é a partir de 5 Pa - 50 Pa.

[0012] A distância entre eletrodos pode preferivelmente ser dentro da faixa de 5 mm - 15 mm, mais preferivelmente de 7 mm - 12 mm, e ainda mais preferivelmente de 8 mm - 10 mm.

[0013] Uma voltagem de arco média utilizada para manter o arco pode ser dentro da faixa de 20 V - 25 V.

[0014] Em concordância com uma concretização, o processo compreende controle da distância entre eletrodos por intermédio de controle de gotejamento curto. Por controle de gotejamento curto é aqui intencionado um processo no qual a distância entre eletrodos é controlada por manutenção de um ponto de ajuste de gotejamento curto, isto é, uma freqüência de gotejamento curto ou um período de gotejamento curto. Controle de gotejamento curto facilita controle da distância entre eletrodos. Por exemplo, a freqüência de gotejamento curto pode ser ajustada para 0,5 s-1 - 10 s-1, tal como 1 s-1 - 4 s-1. A distância entre eletrodos pode alternativamente ser controlada utilizando controle de voltagem, isto é, por manutenção de um ponto de ajuste de voltagem.

[0015] Em concordância com uma concretização, o método compreende estabelecimento de um fluxo estável de gás de Ar através da fornalha precedentemente para ataque do (atingir o) arco. Estável pode a este respeito ser referido como única flutuação dentro da definida faixa de pressão de gás de Ar, ou dentro de uma subfaixa pré- definida da mesma. Isto irá aperfeiçoar as condições para ataque e manutenção de um arco estável e difuso e obtenção de uma taxa de fusão estável.

[0016] Em concordância com uma concretização, fluência de gás de Ar através da fornalha compreende fluência continuamente de gás de Ar em uma constante ou em uma essencialmente constante pressão gás de Ar. Por “essencialmente constante” é aqui intencionado se significar que a pressão de gás de Ar não é possibilitada se desviar por mais do que ± 10% a partir de um valor de pressão gás de Ar desejado. Por manutenção de uma constante ou essencialmente constante pressão gás de Ar durante fusão, oscilações que podem conduzir para um arco instável são prevenidas.

[0017] A liga de metal pode ser uma liga de aço inoxidável, uma superliga com base sobre ferro (Fe), cobalto (Co) ou níquel (Ni), ou uma liga de aço altamente ligada. Em particular, a liga de metal pode ser uma liga de metal possuindo um conteúdo de nitrogênio de pelo menos 0,001 porcento em peso - 0,20 porcento em peso (% em peso), preferivelmente 0,025% em peso - 0,10% em peso. O processo é particularmente útil para ligas de metal nas quais o nitrogênio é dissolvido na liga de metal, na medida em que nitrogênio dissolvido é mais provável para dissipar durante VAR do que nitrogênio atado em nitretos de metal.

[0018] Vantagens adicionais e bem como características vantajosas da presente invenção irão aparecer a partir da descrição detalhada a seguir.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0019] Concretizações da presente invenção irão a seguir ser adicionalmente descritas por intermédio de exemplo com referência para os desenhos anexados, nos quais:

[0020] A Figura 1 é um fluxograma mostrando um processo em concordância com uma concretização da presente invenção.

DESCRIÇÃO DETALHADA DE CONCRETIZAÇÕES DA INVENÇÃO

[0021] Um processo para refino de uma liga de metal contendo nitrogênio utilizando refusão de arco de um eletrodo consumível em uma fornalha em concordância com uma concretização da presente invenção é esquematicamente ilustrado no fluxograma na Figura 1. O método compreende as seguintes etapas: A: provisão de um eletrodo consumível da liga de metal; B: provisão de um segundo eletrodo; C: provisão de uma atmosfera controlada dentro da fornalha, compreendendo fluência de gás de Ar através da fornalha em uma pressão de gás de Ar de 1 Pa - 500 Pa; D: ataque de um arco entre o eletrodo consumível e o segundo eletrodo para fundir o eletrodo consumível e, em conseqüência disso, formar uma piscina de liga de metal fundido; E: manutenção do arco entre o eletrodo consumível e a piscina de liga de metal fundido; e: F: entrega ad liga de metal fundido para um molde e fundindo um lingote de liga de metal refinado.

[0022] O eletrodo consumível, consistindo da liga de metal que é para ser refinada, pode, por exemplo, ser uma liga de aço inoxidável, uma superliga com base sobre ferro (Fe), cobalto (Co) ou níquel (Ni), ou uma liga de aço altamente ligada. A liga de metal pode possuir um conteúdo de nitrogênio de pelo menos 0,001 porcento em peso - 0,20 porcento em peso (% em peso), tal como 0, 025% em peso - 0,10% em peso. O eletrodo consumível pode ser cilíndrico.

[0023] O eletrodo consumível é posicionado dentro de um cadinho resfriado em uma câmara de fornalha de uma fornalha de VAR, por exemplo, um cadinho resfriado à água circundado por uma jaqueta de água. Um diâmetro interno do cadinho é maior do que o diâmetro do eletrodo consumível. Um mecanismo de tração é utilizado para controle da posição do eletrodo consumível dentro da fornalha e é utilizado para abaixar o eletrodo consumível na medida em que ele está sendo fundido.

[0024] O segundo eletrodo pode, em concordância com uma concretização, compreender a mesma liga de metal como o eletrodo consumível, mas ele pode, em concordância com uma outra concretização, ser formado a partir de uma diferente liga de metal, na medida em que uma porção do lingote formado compreendendo a liga de metal a partir do segundo eletrodo pode facilmente ser repartido a partir do lingote remanescente da liga de metal refinado. O segundo eletrodo é posicionado abaixo do eletrodo consumível dentro do cadinho resfriado. Uma distância (fenda) é formada entre os eletrodos, distância que pode ser controlada utilizando o mecanismo de tração.

[0025] A pressão de gás de Ar pode ser tão baixa quanto 1 Pa, mas pode, em concordância com outras concretizações, ser de pelo menos 2 Pa ou de pelo menos 5 Pa. A pressão de gás de Ar pode ser acima de 500 Pa, mas ela pode ser limitada para um máximo de 100 Pa ou de 50 Pa. O gás de Ar pode adentrar para a fornalha em uma posição acima do segundo eletrodo, de maneira tal que gás de Ar está fluindo sobre a piscina de liga de metal fundido quando o arco é atacado. Uma pressão de gás de Ar estável é preferivelmente estabelecida antes de ataque do (atingir o) arco. A pressão de gás de Ar é preferivelmente mantida constante ou essencialmente constante durante o processo de refusão de arco por fluência continuamente de gás de Ar sobre a piscina de liga de metal fundido, em conseqüência disso, contribuindo para manutenção do arco estável.

[0026] O arco pode ser atacado (atingido) por passagem de uma corrente através do eletrodo consumível. Uma voltagem negativa é aplicada para o eletrodo consumível enquanto mantendo o segundo eletrodo no potencial aterrado. Voltagem, corrente e/ou distância entre eletrodos podem ser controladas para manter um arco estável e difuso. Em concordância com uma concretização, a distância entre eletrodos é controlada por intermédio de controle de gotejamento curto, isto é, por controle da distância entre eletrodos com baseado sobre uma taxa detectada desejada de gotejamentos curtos. Um tal controle de gotejamento curto é descrito, por exemplo, na patente norte americana número US 4.578.795.

[0027] O cadinho resfriado no qual eletrodos são posicionados forma o molde no qual a liga de metal fundido é solidificada de maneira tal que um lingote é fundido. O lingote fundido, conseqüentemente, possui um diâmetro maior do que o eletrodo consumível.

EXEMPLO 1

[0028] Dois eletrodos consumíveis com um diâmetro de 400 mm foram feitos de uma liga de teste com uma composição elementar correspondendo para o padrão UNS N06985, isto é, uma liga de NiCrFe austenítica estabilizada com um conteúdo de Mo relativamente alto e com uma adição de Co e Cu. Antes de refusão, a liga de teste continha 0,037 porcento em peso (% em peso) de N.

[0029] Um primeiro dos eletrodos consumíveis foi refundido utilizando VAR em vácuo, isto é, sem fluência de Ar sobre a piscina de liga de metal fundido. A pressão dentro da fornalha foi em torno de 0,15 Pa. Uma taxa de fusão estável foi conseguida utilizando controle de gotejamento curto (3,5 s-1) com uma corrente de 9 kA, uma voltagem de 20 V - 21 V e uma taxa de fusão de 6 kg/min.

[0030] Um segundo dos eletrodos consumíveis foi refundido utilizando refusão de arco com fluência de Ar sobre a piscina de liga de metal fundido. Durante o processo de refusão, a pressão de gás de Ar foi variada e possibilitada para estabilizar em diferentes níveis. Foi notado que o arco se torna instável na medida em que a pressão de gás de Ar foi aumentada acima de 200 Pa (diminuindo a taxa de fusão) e que plasma foi gerado em uma pressão de gás de Ar de 10 kPa, conduzindo para um rápido aumento na freqüência de gotejamento curto.

[0031] Amostras a partir dos lingotes recebidos de liga de teste refundida foram tomadas em posições correspondendo para várias pressões de gás de Ar na fornalha e analisadas com respeito para composição elementar. Resultados das análises com respeito para conteúdo de N são mostrados na Tabela 1. Como pode ser observado, foi descoberto que pressões de gás de Ar de 5 Pa e 170 Pa parecem ser particularmente benéficas para manutenção de um similar conteúdo de N como antes de refusão. Outros elementos de liga da liga de teste não foram significativamente afetados pelo processo de refusão. Tabela 1

EXEMPLO 2

[0032] Um eletrodo consumível foi formado a partir de uma liga de teste com uma composição em concordância com Sanicro 28 (padrão UNS N08028), isto é, uma liga de NiCrFe austenítica com uma adição de Mo, Mn e Cu. Antes de refusão, a liga de teste continha 0,085% em peso de N.

[0033] O eletrodo consumível foi refundido utilizando refusão com fluência de Ar sobre a piscina de liga de metal fundido em uma estável pressão de gás de Ar de 5 Pa. Uma taxa de fusão estável de 4,8 kg/min foi conseguida utilizando controle de gotejamento curto (3 s-1) com uma corrente de 7,5 kA e uma voltagem de 22,2 V. Uma segunda taxa de fusão estável de 7,5 kg/min foi conseguida utilizando controle de gotejamento curto (1,5 s-1) com uma corrente de 10,5 kA e uma voltagem de 22,5 V.

[0034] Depois de refusão, uma amostra foi tomada a partir do lingote refundido e analisada com respeito para composição elementar. Foi descoberto que o conteúdo de N diminuiu a partir de 0,085% em peso para 0,077% em peso, isto é, uma redução de 9%. Em comparação, durante refusão de uma correspondente liga em vácuo, o conteúdo de N diminuiu a partir de 0,096% em peso até 0,080% em peso, isto é, uma redução de 17%.

[0035] A presente invenção não é evidentemente de forma alguma restrita para as concretizações descritas anteriormente, mas muitas possibilidades para modificações da mesma deveriam ser aparentes para uma pessoa especializada no estado da técnica sem afastamento a partir do escopo da presente invenção conforme definido nas reivindicações de patente anexadas.

Claims (13)

1. Processo para refino de uma liga de metal contendo nitrogênio dissolvido, utilizando refusão de arco de um eletrodo consumível em uma fornalha caracterizado pelo fato de que compreende: - fornecer um eletrodo consumível da liga de metal; - fornecer um segundo eletrodo; - fornecer uma atmosfera controlada dentro da fornalha; - abrir um arco entre o eletrodo consumível e o segundo eletrodo para fundir o eletrodo consumível e assim formar uma piscina de liga de metal fundida; - manter o arco entre o eletrodo consumível e a piscina de liga de metal fundida; - distribuir a liga de metal fundida a um molde e fundir um lingote de liga de metal refinada; em que fornecer a atmosfera controlada compreende circular o gás Ar através da fornalha a uma pressão de gás Ar de 5 a 500 Pa; em que uma voltagem de arco média usada para manter o arco está dentro da faixa de 20 a 25 V.

2. Processo, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a pressão de gás Ar é de 5 a 100 Pa.

3. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracteri zado pelo fato de que uma distância de eletrodo, entre o eletrodo consumível e a piscina de liga de metal fundida, é controlada de maneira que o arco seja mantido estável e difuso.

4. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a distância do eletrodo está dentro da faixa de 5 mm a 15 mm.

5. Processo, de acordo com a reivindicação 3, caracteri zado pelo fato de que compreende controlar a distância do eletrodo por intermédio de controle drop-short.

6. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende estabelecer um fluxo estável de gás Ar através da fornalha antes de abrir o arco.

7. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que circular o gás Ar através da fornalha compreende circular continuamente o gás Ar a uma pressão de gás Ar constante ou essencialmente constante.

8. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a liga de metal é uma liga de aço inoxidável, uma superliga ou uma liga de aço altamente ligada.

9. Processo, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a liga de metal possui um teor de nitrogênio de pelo menos 0,001 a 0,20% em peso.

10. Processo, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que a pressão do gás Ar é de 5 a 50 Pa.

11. Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a distância do eletrodo está dentro da faixa de 7 a 12 mm.

12. Processo, de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que a distância do eletrodo está dentro da faixa de 8 a 10 mm.

13. Processo, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a liga de metal possui um teor de nitrogênio de pelo menos 0,025 a 0,10% em peso.