Encolhimento por solidificação do tubo de titânio: causas, perda de tubo e controles de fusão

A contração de solidificação é a maior fonte de perda de rendimento na produção de tubos e lingotes de titânio. O titânio congela a cerca de 1.668 graus Celsius, reage com quase todos os refratários que toca e tem uma baixa condutividade térmica de aproximadamente 17 a 22 W por metro por Kelvin, de modo que o calor deixa a frente de congelamento lenta e desigualmente. O resultado é uma contração de cerca de 3 a 4 por cento em volume à medida que o líquido se transforma em sólido, além de uma contração adicional à medida que o lingote esfria até a temperatura ambiente. Entender para onde vai esse volume é a base para controlar a tubulação, a porosidade e a segregação.

Por que o titânio se comporta de maneira diferente do aço

Três propriedades do material diferenciam o titânio.

Baixa condutividade térmica:a superfície de um lingote ou peça fundida esfria rapidamente enquanto o centro permanece líquido, produzindo um gradiente térmico acentuado e congelamento direcional que favorece um tubo de retração profunda.

Alta reatividade química:a fusão deve ser feita em vácuo ou gás inerte com cadinhos de cobre resfriados a água, para que não haja reação exotérmica do molde para alimentar o último líquido.

Transformação alotrópica:a fase beta cúbica-centrada no corpo se transforma em alfa hexagonal-compactada no resfriamento, e a mudança de volume associada adiciona tensão interna e, em seções espessas, mais mudanças dimensionais.

Contração congelante e tubo de encolhimento

Quando o metal líquido não é alimentado continuamente até a última região para congelar, uma cavidade se forma ali. Em lingotes refundidos por arco a vácuo, o último material a congelar fica no topo, de modo que a cavidade aparece como um tubo central com uma zona esponjosa e rica em gás-ao seu redor. O tubo normalmente consome a menor porcentagem do comprimento do lingote. Esse material não pode ser enrolado em tubo, por isso é cortado e devolvido como sucata, o que representa uma perda direta de rendimento. O tubo não controlado também corre mais fundo do que o esperado e, se for perdido, torna-se porosidade interna ou laminações no tubo acabado.

Os valores práticos usados ​​em aciarias são uma contração volumétrica de líquido-para{1}}sólido de aproximadamente 3 a 4%, com um padrão ou tolerância de encolhimento linear de cerca de 1,5 a 2,1% para formas de titânio fundido. As tolerâncias exatas dependem da espessura e da geometria da seção e devem ser estabelecidas a partir de peças fundidas medidas, em vez de copiadas de uma tabela.

Os fatores que decidem quanto ocorre o encolhimento

Controles de prática de fusão

A profundidade do tubo é gerenciada através do programa de fusão e não através de um único ajuste. Reiniciar o arco e reduzir gradualmente a potência no final do fundido mantém o topo do lingote quente enquanto alimenta o último líquido, o que encurta o tubo e o move para cima. A retirada do eletrodo e a cobertura-a quente controlada alcançam o mesmo resultado. O lingote é então cortado por uma distância fixa derivada da inspeção ultrassônica da zona superior, e não por um comprimento nominal.

A fusão múltipla é padrão para tubos críticos. A refusão por arco a vácuo duplo ou triplo refina a estrutura, dispersa a segregação e reduz o conteúdo de gás entre as passagens, e a fusão por feixe de elétrons ou plasma remove inclusões de alta e baixa densidade antes da passagem final do arco a vácuo. Cada passagem adicional também reduz o tamanho do defeito de contração que atinge o tubo acabado.

Defeitos de Solidificação Relacionados

Porosidade da linha central:cavidades finas dispersas ao longo do eixo onde a alimentação foi interrompida; detectado por testes ultrassônicos e geralmente cortado.

Segregação:elementos de liga como vanádio, molibdênio ou ferro concentram-se no último líquido, produzindo faixas de diferentes durezas.

Fechamentos e voltas a frio:dobras superficiais formadas quando o metal parcialmente solidificado encontra o líquido que entra, aparecendo mais tarde como locais de iniciação de trincas.

Porosidade de hidrogênio:poros de gás que se formam porque a solubilidade do hidrogênio cai drasticamente à medida que o metal congela.

Inspeção e recuperação de rendimento

A boa prática combina a inspeção ultrassônica do lingote com a amostragem da parte superior e inferior cortada. A amostra superior é o indicador mais sensível da profundidade e segregação do tubo e é o local mais barato para encontrar um problema antes da laminação do tubo. A sucata da colheita é totalmente reciclável, desde que seja segregada por liga, limpa de óxido e decapada antes de ser misturada em um novo eletrodo.

Perguntas frequentes

P: Por que o titânio forma um tubo de contração mais profundo do que o aço?
Porque o titânio tem baixa condutividade térmica e é derretido sem um molde refratário que possa devolver o calor ao topo. O gradiente térmico acentuado significa que o topo congela por último enquanto o resto do lingote já está sólido, então não há mais nada para alimentar a contração.

P: Quanto o titânio se contrai quando solidifica?
Cerca de 3 a 4 por cento em volume da mudança de líquido-para{3}}sólido, com uma contração adicional durante o resfriamento até a temperatura ambiente. Os padrões de fundição geralmente usam uma tolerância linear de aproximadamente 1,5 a 2,1 por cento.

P: O tubo de encolhimento pode ser totalmente eliminado?
Não, mas pode ser superficial e previsível. A cobertura a quente controlada, o reacendimento do arco com potência reduzida e a retirada lenta do lingote concentram o defeito no topo para que um corte fixo o remova.

P: Refundir mais de uma vez ajuda?
Sim. A refusão por arco de vácuo duplo e triplo, geralmente precedida por feixe de elétrons ou fusão por plasma, melhora a uniformidade química, reduz o teor de gás e reduz a profundidade e a gravidade do defeito de contração remanescente.

P: Que inspeção encontra defeitos de contração antes da laminação do tubo?
Inspeção ultrassônica do lingote e amostragem química e metalográfica do topo cortado. Ambos são necessários porque o teste ultrassônico detecta bem os vazios, mas é menos sensível à segregação.

P: O material de contração cortado é desperdiçado?
Não permanentemente. Ele é reciclado como sucata limpa e segregada e misturado em um novo eletrodo, de modo que a perda é o custo e o rendimento do processamento, e não o metal.