In the tool steel industry, ESR means Electroslag Remelting. 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.
Comparado ao VAR, o ESR oferece várias vantagens. Ela é mais barata porque não requer equipamento a vácuo. Além disso, o processo de refino de eletroescória melhora a qualidade da superfície do lingote de aço, permitindo que até mesmo lingotes de seção transversal grande obtenham uma estrutura uniforme.
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.
Basic Principles
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:
- Uma camada especial de eletroescória pode realizar o refino.
- Redução de inclusões não metálicas e aumento da pureza.
- 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: A corrente passa pela saída do transformador e flui pela escória no circuito. Devido à alta resistência da escória, a maior parte da tensão do transformador cai através da escória, resultando em uma grande quantidade de geração de calor. A escória gera calor e transfere energia térmica para o eletrodo (para fusão), para o metal líquido que sai do eletrodo (para superaquecimento) e para a superfície do lingote, ajudando a manter os gradientes de temperatura necessários no lingote em solidificação.
- Eletrodo consumível: Devido ao aquecimento resistivo, a escória derretida está em um estado de alta temperatura, muito mais alto do que o ponto de fusão do metal. Essa alta temperatura faz com que a extremidade do eletrodo consumível inserido na escória derreta gradualmente.
- 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.
Characteristics of Electroslag Remelting(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:
- A fundição em baixa pressão aumenta a qualidade e reduz a poluição. 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.
- Condições favoráveis de reação metalúrgica:
- Alta temperatura: The slag pool temperature is typically above 1750℃ (3182℉) and can locally reach around 1900℃ (3452℉). The steel melt superheat can reach 450℃ (824℉). This high temperature accelerates the progress of metallurgical, physical, and chemical reactions.
- 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.
- 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.
- Superfície lisa e material puro: The transition from liquid to solid phase is completed through forced cooling in a water-cooled crystallizer (copper crucible). A thin and uniform slag shell forms between the water-cooled crystallizer and the steel ingot, preventing contamination from oxidation and refractory materials. This ensures the remelted mold steel ingot’s smooth surface and material purity. This is crucial for molds with high surface quality requirements.
- Obtenção de peças fundidas de grande porte: Electro-slag remelting consumables can obtain large-sized and heavy metal castings, with the largest castings reaching 60-70 tons and diameters exceeding 2 meters, to meet the needs of large-scale industries such as large molds and aerospace components.
The significance of Electroslag Remelting(ESR)
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:
A ESR melhora a micro-segregação e as inclusões no lingote de aço, criando uma estrutura de aço uniforme e densa. Isso aprimora as propriedades mecânicas, especialmente reduzindo as diferenças de desempenho entre as regiões longitudinal, transversal, central e das bordas do aço. Por exemplo, após o tratamento ESR de Aço para ferramentas H13A relação entre a resistência à tração longitudinal e transversal e a plasticidade é superior a 0,90, enquanto a relação de resistência ao impacto é superior a 0,78.
