o que é ESR

No setor de aço para ferramentas, ESR significa Refusão por eletroescória.

To improve quality, some steel grades undergo remelting processes, such as vacuum arc remelting (VAR) and electro-slag remelting (ESR). As molds become bigger and require more specialized features, the use of remelted steel has been growing.

Compared to VAR, ESR offers several advantages. It is cheaper because it doesn’t require vacuum equipment. Additionally, the electro slag refining process improves the surface quality of the steel ingot, allowing even large cross-section ingots to achieve a uniform structure.

Embora existam vários métodos e aplicações técnicas para a metalurgia de escória elétrica, a ESR continua sendo sua tecnologia básica e central. Este artigo apresentará o processo de ESR e sua importância. AoboSteel pode fornecer aos clientes aço para ferramentas fabricado usando o processo ESR. 

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Princípios básicos do processo ESR

O processo ESR usa corrente para gerar calor de resistência por meio da camada de eletroescória. Esse calor derrete o eletrodo (material de base) para atingir os seguintes objetivos:

1. Uma camada especial de eletroescória pode realizar o refino.
2. Redução de inclusões não metálicas e aumento da pureza.
3. Uma estrutura uniforme e fina se forma nas direções da seção transversal e do comprimento.

O processo de refusão por eletroescória (ESR) e seu princípio de funcionamento principal podem ser simplificados e resumidos da seguinte forma:

• Estabelecimento do circuito: Insira o eletrodo consumível em um cristalizador de cobre resfriado a água que contenha escória sólida ou líquida. Em seguida, conecte-o a um transformador por meio de uma rede curta para formar o circuito de fornecimento de energia. Esse circuito inclui o eletrodo consumível, a escória derretida e a piscina de metal derretido na parte inferior.
• Aquecimento por resistência: Current passes through the transformer output and flows through the slag in the circuit. Because of the slag’s high resistance, most of the voltage from the transformer is dropped across the slag, resulting in a large amount of heat generation. The slag generates heat and transfers heat energy to the electrode (for melting), to the liquid metal leaving the electrode (for superheating), and to the ingot surface, helping to maintain the required temperature gradients in the solidifying ingot.
• Eletrodo consumível: Due to resistive heating, the molten slag is in a high-temperature state, much higher than the melting point of the metal. This high temperature causes the end of the consumable electrode inserted into the slag to melt gradually.
• Desprendimento de gotículas de metal: O metal fundido se acumula em gotículas, desprendendo-se da ponta do eletrodo sob a força da gravidade e passando através da escória para a piscina de metal fundido abaixo.
• Solidificação por resfriamento: Os cristalizadores resfriados a água resfriam à força a piscina de metal fundido, fazendo com que o metal líquido se solidifique e forme um lingote gradualmente.

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Características da ESR

A refusão por eletroescória do aço para matrizes pertence ao método de refino secundário do aço para matrizes. O eletrodo consumível é a matéria-prima proveniente de métodos de fundição de aço para matrizes, como fornos elétricos a arco, fornos de indução, fornos de indução a vácuo e fornos consumíveis a vácuo. O objetivo da refusão por eletroescória de aço para matrizes é purificar ainda mais o aço e a liga e melhorar a estrutura cristalina do lingote com base na fundição primária para obter produtos metálicos de alta qualidade."

As principais características (vantagens) da refusão por eletroescória do aço para moldes:

1. Low-pressure casting boosts quality and cuts pollution. A fusão, o vazamento e a solidificação ocorrem em um ambiente quase puro, reduzindo a contaminação do aço fundido e diminuindo a poluição. As condições de baixa pressão reduzem o conteúdo de gases nocivos, como oxigênio e hidrogênio, evitando a oxidação do metal ou a absorção de gases nocivos, melhorando assim a qualidade das peças fundidas. Isso tem semelhanças com a fundição a vácuo, mas o custo pode ser menor.
2. Condições favoráveis de reação metalúrgica:
   • Alta temperatura: A temperatura da piscina de escória está normalmente acima de 1750°C (3182°C) e pode atingir localmente cerca de 1900°C (3452°C). O superaquecimento do aço fundido pode chegar a 450 ℃ (824 ℉). Essa alta temperatura acelera o progresso das reações físicas e químicas metalúrgicas.
   • Contato e mistura suficientes: O contato total entre o aço e a escória, juntamente com o efeito de agitação das forças eletromagnéticas, renova continuamente as superfícies de contato entre o aço e a escória, intensificando as reações metalúrgicas e promovendo a remoção de impurezas prejudiciais e inclusões não metálicas. Isso se traduz em melhor dessulfurização, desoxidação e remoção de inclusões.
3. Estrutura uniforme e densa: A solidificação sequencial de cima para baixo garante a estrutura cristalina densa e uniforme do lingote de metal refundido. A parte superior sempre tem uma piscina de metal líquido e uma piscina de escória quente, o que proporciona a preservação do calor e metal líquido suficiente para preencher as cavidades de contração geradas pela contração da solidificação. Gases e inclusões também flutuam facilmente para cima, tornando a estrutura do lingote de aço densa e uniforme e melhorando as propriedades mecânicas do material, como resistência, tenacidade e desempenho de fadiga.
4. Superfície lisa e material puro: A transição da fase líquida para a sólida é concluída por meio do resfriamento forçado em um cristalizador resfriado a água (cadinho de cobre). Uma camada fina e uniforme de escória se forma entre o cristalizador resfriado a água e o lingote de aço, evitando a contaminação por oxidação e materiais refratários. Isso garante a superfície lisa do lingote de aço do molde refundido e a pureza do material. Isso é fundamental para moldes com requisitos de alta qualidade de superfície.
5. Obtenção de peças fundidas de grande porte: A fundição de consumíveis por refusão de eletroescória pode obter peças fundidas de metal pesado e de grande porte, com as maiores peças fundidas atingindo de 60 a 70 toneladas e diâmetros superiores a 2 metros, para atender às necessidades dos setores de grande escala, como moldes grandes e componentes aeroespaciais.

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A importância da VHS

A refusão por eletroescória (ESR) é fundamental para aprimorar a qualidade de aços e ligas especiais. No caso dos aços para moldes, as melhorias na microestrutura e nas propriedades resultantes da ESR são particularmente significativas, refletindo-se principalmente nos seguintes aspectos:

1. Melhoria da macroestrutura:

• Otimização da estrutura cristalina: Durante a ESR, a rápida solidificação do aço fundido muda a direção do crescimento do cristal, melhorando significativamente a macroestrutura em comparação com os lingotes fundidos convencionalmente.
• Redução da porosidade e da segregação: A ESR melhora significativamente a macroestrutura do aço. Apesar da mesma proporção de forjamento, o ESR melhora a porosidade central e a segregação em mais de 0,5 nível (de acordo com os padrões ASTM) em comparação com os aços de molde fundido comuns. A estrutura central do aço ESR é densa, geralmente menor que a do grau I. O efeito é especialmente óbvio para aços propensos a porosidade e cavidades de contração em lingotes, como Aço para ferramentas A2. Na produção de aço para moldes de plástico, o aprimoramento da uniformidade estrutural e da densidade melhora significativamente o desempenho de polimento e a resistência à corrosão do aço.

2. Redução do teor de inclusões não metálicas no aço:

A ESR reduz significativamente o conteúdo de inclusões não metálicas no aço, especialmente as inclusões de sulfeto, que mostram mudanças e reduções significativas na morfologia e na quantidade. As inclusões de silicato também são amplamente removidas, melhorando significativamente a pureza do aço.

3. Melhoria da não homogeneidade do metal duro:

A ESR melhora significativamente a não homogeneidade do carboneto e a estrutura cristalina do lingote de aço, especialmente para aço de matriz para trabalho a frio com alto teor de carbono e alto teor de cromo. Sob a mesma proporção de forjamento, ela melhora em 0,5 nível, aprimorando principalmente a estrutura central. O refinamento dos carbonetos aumenta o teor de liga na matriz após a têmpera, melhorando assim o efeito de endurecimento secundário e a resistência à têmpera. Além disso, a ESR também melhora a capacidade de trabalho a quente e a tenacidade do aço.

4. Melhoria das propriedades mecânicas:

ESR improves micro-segregation and inclusions in the steel ingot, creating a uniform and dense steel structure. This enhances the mechanical properties, particularly reducing performance differences between the steel’s longitudinal, transverse, central, and edge regions. For example, after ESR treatment of H13 tool steel, the ratio of longitudinal to transverse tensile strength and plasticity exceeds 0.90, while the impact toughness ratio exceeds 0.78.