Processo de desgaseificação do alumínio: Guia para a remoção de hidrogénio, qualidade

Na AdTech, trabalhamos há anos com fundições e operações de fundição de alumínio, e o fator mais consistente que separa as boas peças fundidas das rejeitadas é o teor de hidrogénio. O processo de desgaseificação do alumínio não é opcional - é o passo fundamental do controlo de qualidade que determina a resistência mecânica, a integridade da superfície e a precisão dimensional de cada peça fundida. O alumínio fundido absorve facilmente o hidrogénio da humidade atmosférica e, se esse hidrogénio não for removido antes da solidificação, forma defeitos de porosidade que comprometem o desempenho estrutural.

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Porque é que o hidrogénio é o principal inimigo das peças fundidas de alumínio

O hidrogénio é o único gás que se dissolve no alumínio em quantidades significativas em condições normais de fundição. Ao contrário das ligas de aço ou cobre que podem absorver várias espécies de gás, o principal desafio de contaminação do alumínio está quase inteiramente relacionado com o hidrogénio. Vemos isto repetidamente em auditorias de qualidade: as peças que falham na inspeção radiográfica quase sempre são atribuídas a um elevado teor de hidrogénio na fusão, combinado com um tempo de desgaseificação inadequado ou equipamento com manutenção incorrecta.

A razão pela qual o hidrogénio é tão prejudicial reside no seu comportamento de solubilidade. O alumínio líquido a 750°C pode dissolver aproximadamente 0,65-0,70 ml de hidrogénio por 100 gramas de metal. Quando o metal solidifica, essa solubilidade cai drasticamente - para cerca de 0,034 ml por 100 gramas de alumínio sólido. Isto significa que quase todo o hidrogénio dissolvido tem de deixar o metal durante a solidificação. Se não conseguir escapar, forma bolhas microscópicas presas na microestrutura em solidificação, criando porosidade de gás.

A porosidade resultante apresenta-se como:

• Poros esféricos (por rejeição de hidrogénio dissolvido).
• Porosidade relacionada com a retração (frequentemente agravada pelo hidrogénio existente).
• Bolhas na superfície durante o tratamento térmico.
• Redução dos valores de resistência à tração e de alongamento.
• Fuga de pressão em peças fundidas hidráulicas e pneumáticas.

Para componentes estruturais de automóveis, peças aeroespaciais e peças fundidas estanques à pressão, mesmo uma porosidade marginal causa falhas no terreno. O processo de desgaseificação não é, portanto, uma opção eficiente - é o mecanismo que torna possível uma fundição de alumínio fiável.

Como o hidrogénio entra na fusão do alumínio: Fontes e Mecanismos de Absorção

Compreender de onde vem o hidrogénio é o primeiro passo para o controlar. Na nossa experiência de trabalho com várias fundições, a maioria das operações subestima o número de pontos de entrada diferentes que o hidrogénio tem na fusão.

Leia também: Como reduzir a porosidade na fundição de alumínio?

Fontes primárias de hidrogénio

1. Humidade atmosférica
O vapor de água no ar reage com o alumínio fundido na superfície da fusão. A reação é:

2Al + 3H₂O → Al₂O₃ + 6[H]

O hidrogénio atómico gerado dissolve-se imediatamente na massa fundida. Uma humidade relativa mais elevada na fundição traduz-se diretamente em taxas de captação de hidrogénio mais rápidas.

2. Materiais de carga húmidos ou contaminados
As sucatas de alumínio que tenham sido expostas à chuva, armazenadas de forma inadequada ou que não tenham sido pré-secas antes do carregamento introduzem uma humidade significativa. Mesmo a condensação em lingotes frios adicionados a um forno quente gera uma explosão de absorção de hidrogénio. A contaminação oleosa ou orgânica da sucata também contribui para o hidrogénio quando queimada.

3. Materiais e ferramentas refractários
Os revestimentos dos fornos, as lavadoras, as panelas de transferência e o equipamento de desgaseificação feitos de materiais refractários podem reter humidade. Quando estes materiais não são devidamente secos antes de entrarem em contacto com a massa fundida, libertam vapor diretamente para o metal líquido. Já verificámos rejeições de lotes inteiros devido a uma única concha não seca, pré-aquecida de forma insuficiente.

4. Adições de liga e ligas-mãe
Algumas ligas principais, particularmente as que têm uma área de superfície elevada ou caraterísticas higroscópicas, introduzem hidrogénio quando adicionadas à fusão. As ligas que contêm magnésio são especialmente propensas a esta situação porque o próprio magnésio reage com a humidade.

5. Resíduos de fluxo
Alguns fluxos, se não forem devidamente armazenados ou se forem aplicados incorretamente, contêm humidade ou geram gases que contêm hidrogénio durante a sua reação com a fusão.

Factores de taxa de absorção de hidrogénio

A ciência por detrás da desgaseificação do alumínio: Termodinâmica e cinética

A físico-química da remoção do hidrogénio da fusão do alumínio é regida pela Lei de Sievert, que estabelece que a solubilidade de um gás diatómico num metal é proporcional à raiz quadrada da pressão parcial desse gás acima da fusão:

[H] = K × √(P_H₂)

Onde [H] é a concentração de hidrogénio dissolvido, K é a constante de solubilidade dependente da temperatura e P_H₂ é a pressão parcial de hidrogénio na atmosfera acima da fusão.

Esta relação tem consequências práticas diretas. Para remover o hidrogénio da fusão, temos de

• Reduzir a pressão parcial de hidrogénio acima da superfície da fusão (desgaseificação sob vácuo).
• Introduzir bolhas de gás inerte que tenham uma pressão parcial de hidrogénio muito baixa, fazendo com que o hidrogénio se difunda da fusão para as bolhas.

O mecanismo da bolha

Quando uma bolha de gás inerte sobe através da fusão do alumínio, os átomos de hidrogénio dissolvidos no metal difundem-se através da interface metal-bolha e entram na bolha. A força motriz é a diferença de pressão parcial do hidrogénio entre o metal (alta) e o interior da bolha (próxima de zero para o árgon puro ou o azoto).

A eficiência deste processo depende de:

• Tamanho da bolha: As bolhas mais pequenas têm uma maior área de superfície por unidade de volume, melhorando a transferência de massa.
• Distribuição de bolhas: As bolhas devem entrar em contacto com a maior parte possível do volume da massa fundida.
• Tempo de subida: As bolhas de subida mais lenta (mais pequenas) proporcionam um tempo de contacto mais longo.
• Temperatura do metal: As temperaturas mais elevadas aumentam as taxas de difusão, mas também aumentam a solubilidade do hidrogénio.

A relação matemática que rege a taxa de desgaseificação segue uma cinética de primeira ordem:

C(t) = C₀ × e^(-kt)

Em que C(t) é a concentração de hidrogénio no momento t, C₀ é a concentração inicial e k é a constante da taxa de desgaseificação que depende da conceção do equipamento e do caudal de gás.

Porque é que as bolhas maiores não são eficientes

Um dos equívocos mais comuns que encontramos nas auditorias de fundição é que “mais gás equivale a uma desgaseificação mais rápida”. Isto é parcialmente verdade, mas para além de um determinado caudal, as bolhas aglutinam-se em grandes bolhas que sobem rapidamente sem uma remoção significativa de hidrogénio. O ideal é produzir uma nuvem densa de bolhas finas uniformemente distribuídas pela massa fundida - que é exatamente o que os impulsores rotativos bem concebidos conseguem.

Método de desgaseificação rotativo: Como funciona e porque é que domina

A desgaseificação por impulsor rotativo tornou-se a abordagem padrão em praticamente todas as operações modernas de fundição de alumínio porque combina a geração mecânica de bolhas com a injeção contínua de gás para produzir caraterísticas óptimas de bolhas.

Princípio de funcionamento

Uma unidade de desgaseificação rotativa é constituída por:

• A veio rotativo de grafite ligado a um motor de acionamento.
• A impulsor de grafite na base do poço, submerso na massa fundida.
• A sistema de abastecimento de gás que fornece gás inerte através do eixo oco para o impulsor.
• A controlador de velocidade para ajustar as RPM.

O impulsor roda normalmente a 200-600 RPM. O gás inerte alimentado através do eixo sai pelo impulsor, onde as lâminas rotativas cortam o gás em bolhas finas e dispersam-nas radial e verticalmente pela massa fundida. As forças de cisalhamento geradas pela rotação do impulsor são o que cria os pequenos diâmetros das bolhas (intervalo de 1-5 mm) críticos para a remoção eficiente do hidrogénio.

Dados de desempenho da desgaseificação rotativa

Nota: Acima de aproximadamente 600 RPM, o impulsor começa a criar um vórtice de superfície que atrai películas de óxido e gases atmosféricos para a massa fundida, anulando o benefício da desgaseificação. A velocidade óptima é normalmente de 300-450 RPM, dependendo da geometria do recipiente e do nível de enchimento.

Desgaseificação rotativa em linha vs. em lote

Desgaseificação em lote trata cada panela ou forno individualmente. É adequado para operações com mudanças variáveis de liga, volumes mais baixos ou quando a flexibilidade é mais importante do que a continuidade da produção.

Desgaseificação em linha utiliza uma caixa de desgaseificação de fluxo contínuo posicionada entre o forno e a estação de fundição. O metal entra por um lado, é tratado à medida que flui através da unidade com impulsores rotativos e sai pelo lado da fundição. Esta abordagem é padrão nas operações de fundição sob pressão e de fundição contínua de grande volume.

Fluxo e desgaseificação química: Aplicações, limitações e quando usá-los

Antes da generalização dos sistemas de impulsores rotativos, a desgaseificação por fluxo era o método padrão. Ainda hoje, continua a ser relevante em aplicações específicas e como tratamento suplementar.

Como funciona a desgaseificação do fluxo

Os sais de desgaseificação à base de cloro (geralmente pastilhas ou grânulos de hexacloroetano) reagem com o alumínio para gerar bolhas de gás cloro in-situ:

C₂Cl₆ → C₂Cl₄ + Cl₂ (decomposição)

As bolhas de cloro geradas actuam então de forma semelhante às bolhas de gás inerte, transportando o hidrogénio para fora da fusão. O cloro é mais agressivo do que o árgon ou o azoto na remoção do hidrogénio porque também reage quimicamente com metais alcalinos (sódio, potássio, lítio) que actuam como modificadores da tensão superficial.

Porque é que a desgaseificação do fluxo está a cair em desuso

O principal problema da desgaseificação de fluxos à base de cloro está relacionado com o ambiente e a segurança. O gás cloro e os subprodutos (particularmente o fosgénio e o cloreto de hidrogénio em determinadas condições) são tóxicos. Os quadros regulamentares na Europa, América do Norte e cada vez mais na Ásia estão a restringir as emissões de cloro das fundições.

Além disso, a desgaseificação por fluxo é menos consistente do que os métodos rotativos. O padrão de libertação de gás não é bem controlado, levando a bolhas de tamanho variável e a uma desgaseificação incompleta.

Quando a desgaseificação do fluxo continua a ser adequada

• Pequenas fundições sem orçamento para equipamento rotativo.
• Locais remotos ou produção intermitente.
• Como tratamento suplementar após a desgaseificação rotativa primária para requisitos de qualidade extrema.
• Quando é necessária a remoção de metais alcalinos juntamente com a remoção de hidrogénio.

Composições de fluxo de sal

Desgaseificação por vácuo e outras técnicas avançadas

A desgaseificação a vácuo funciona com base num princípio diferente dos métodos de borbulhamento de gás. Ao reduzir a pressão acima da fusão para uma fração da pressão atmosférica, a pressão parcial do hidrogénio na atmosfera cai para perto de zero e o hidrogénio difunde-se do metal para a superfície.

Desempenho de desgaseificação por vácuo

Sob um vácuo de 1 mbar (0,1% da pressão atmosférica), a Lei de Sievert prevê que a solubilidade do hidrogénio no alumínio caia para aproximadamente 7% do seu valor à pressão atmosférica. Na prática, a desgaseificação em vácuo pode atingir níveis de hidrogénio inferiores a 0,1 mL/100g de Al - excelente para peças fundidas de qualidade aeroespacial.

No entanto, a desgaseificação por vácuo tem limitações significativas:

• O custo do equipamento é substancialmente mais elevado.
• Apenas processamento por lotes (sem tratamento contínuo).
• Risco de oxidação da superfície da massa fundida se a selagem a vácuo for imperfeita.
• Não é prático para grandes volumes de fusão em fundições de alta produção.

Desgaseificação por ultra-sons (tecnologia emergente)

A cavitação acústica induzida por transdutores ultra-sónicos pode nucleares bolhas de hidrogénio em todo o volume fundido. Os resultados da investigação mostraram reduções de hidrogénio comparáveis à desgaseificação rotativa, mas a tecnologia permanece principalmente em aplicações de desenvolvimento ou de nicho devido à dificuldade em aumentar a potência ultra-sónica para grandes volumes de fusão sem degradação do equipamento.

Abordagens combinadas de desgaseificação

As aplicações de qualidade superior - peças estruturais aeroespaciais, componentes de defesa, peças fundidas para dispositivos médicos - combinam frequentemente métodos:

1. Desgaseificação rotativa de gases como tratamento primário.
2. Adição de fluxo para a remoção de metais alcalinos.
3. Filtração (filtros de espuma cerâmica) para eliminar as inclusões não metálicas geradas durante a desgaseificação.
4. Tratamento de vácuo opcional para as aplicações mais críticas.

Seleção de gases de desgaseificação: Nitrogénio vs Árgon vs Misturas à base de cloro

A escolha do gás de purga afeta profundamente a eficiência da desgaseificação e o custo operacional. Avaliamos essa decisão em vários projetos de otimização de fundição, e a resposta nunca é única.

Azoto puro (N₂)

O azoto é a opção de gás de purga inerte de mais baixo custo. É eficaz na remoção de hidrogénio da maioria das ligas de alumínio. A principal limitação é que o azoto não é verdadeiramente inerte com o alumínio - a temperaturas elevadas e com certas composições de ligas, o azoto pode reagir com o alumínio para formar inclusões de nitreto de alumínio (AlN). Isto é particularmente preocupante nas ligas que contêm magnésio (séries 5xxx e algumas séries 7xxx).

Melhor para: Alumínio puro, séries 1xxx e 2xxx, séries 6xxx, operações sensíveis aos custos em que o risco de inclusão é baixo.

Árgon puro (Ar)

O árgon é completamente inerte em relação ao alumínio em todas as condições de fundição. Não produz produtos de reação, não gera inclusões e é adequado para todos os tipos de ligas, incluindo composições ricas em magnésio. A contrapartida é o custo - o árgon é normalmente 3-5 vezes mais caro do que o azoto por unidade de volume.

Melhor para: Ligas contendo magnésio (5xxx, 7xxx), ligas aeroespaciais, aplicações em que qualquer risco de inclusão é inaceitável, peças fundidas de elevado valor em que o custo do gás é secundário.

Misturas de árgon e cloro

Pequenas percentagens de cloro gasoso (tipicamente 1-10%) adicionadas ao árgon melhoram drasticamente a eficiência da remoção de metais alcalinos. O cloro reage com o sódio e o cálcio para formar compostos de cloreto solúveis que flutuam à superfície como escória. Este tratamento combinado permite a remoção de hidrogénio e a redução de metais alcalinos numa única etapa.

Nota regulamentar: A adição de cloro no gás de desgaseificação requer uma extração de fumos adequada e conformidade ambiental. Muitas jurisdições exigem autorizações para a utilização de cloro e algumas estão a avançar para a proibição total.

Matriz de decisão de seleção de gás

Principais componentes do equipamento: Unidades rotativas de desgaseificação, lanças e sistemas em linha

A qualidade do equipamento determina diretamente o resultado da desgaseificação. Temos visto operações que investem em excelentes ligas e controlos de processo apenas para comprometer os resultados com equipamento de desgaseificação mal mantido ou subdimensionado.

Leia também: Como funciona o equipamento de desgaseificação do alumínio

Materiais do veio e do impulsor em grafite

O veio e o impulsor devem suportar a imersão contínua em alumínio fundido a 680-780°C enquanto rodam sob carga mecânica e transportam gás pressurizado. A grafite de alta pureza e de grão fino com tratamentos de impregnação é o material padrão. Propriedades principais:

• Resistência ao choque térmico: Crítico para a inserção em fusão a quente.
• Resistência à oxidação: A grafite oxida-se ao ar; a impregnação prolonga a vida útil.
• Resistência mecânica: Deve resistir à rutura devido à turbulência da fusão e ao stress térmico.
• Permeabilidade ao gás: O veio deve transportar o gás de forma eficaz e sem fugas.

Os designs dos impulsores variam consoante os fabricantes. A geometria da pá determina a qualidade da geração de bolhas. As geometrias avançadas do impulsor com orifícios maquinados com precisão criam distribuições de tamanho de bolhas mais consistentes do que as concepções simples com orifícios perfurados.

Sistemas de acionamento e controlo

As modernas unidades de desgaseificação rotativas incorporam:

• Accionamentos de velocidade variável com PLC ou painéis de controlo digitais.
• Monitorização e ajustamento do RPM durante o tratamento.
• Controladores de caudal de gás (controladores de caudal de massa para precisão).
• Programadores de tempo de tratamento.
• Mecanismos de elevação do veio para inserção e extração.

Design da caixa de desgaseificação em linha

Um sistema de desgaseificação em linha é normalmente constituído por uma câmara retangular ou cilíndrica com..:

• Portas de entrada e saída metálicas concebidas para um fluxo suave sem turbulência.
• Uma ou mais estações de impulsor rotativo (os modelos de rotor duplo são comuns para um rendimento elevado).
• Paredes refractárias aquecidas para manter a temperatura do metal.
• Zonas de recolha de escórias.
• Portos de amostragem e medição.

O tempo de residência do metal no interior da caixa em linha - calculado como o volume dividido pelo caudal - determina o tempo de tratamento disponível. Uma conceção adequada faz corresponder o tempo de residência à taxa de desgaseificação necessária para o nível de hidrogénio pretendido.

Desgaseificação por lança (borbulhamento de gás simples)

A abordagem mais simples de desgaseificação utiliza uma lança submersa (normalmente um tubo de grafite ou de carboneto de silício) através da qual o gás inerte é borbulhado na massa fundida. Isto evita a rotação do equipamento, mas produz bolhas maiores e menos uniformes em comparação com os sistemas rotativos. A desgaseificação por lança é um método de reserva, adequado para utilização de emergência ou operações muito pequenas, mas não consegue igualar a eficiência rotativa.

Medição do teor de hidrogénio: RPT, LECO e sensores em tempo real

Não se pode controlar o que não se pode medir. A medição do hidrogénio é uma parte essencial de qualquer sistema de controlo do processo de desgaseificação. Existem vários métodos, cada um com diferentes perfis de precisão, velocidade e custo.

Ensaio de pressão reduzida (RPT)

O RPT é a medição de piso de fundição mais amplamente utilizada. Uma pequena amostra de metal fundido (tipicamente 100-200 gramas) é vertida num molde colocado numa câmara onde a pressão é reduzida para 60-80 mbar. Sob pressão reduzida, o hidrogénio dissolvido evolui e forma poros visíveis na amostra em solidificação. O índice de porosidade (PI) - calculado como o rácio da densidade entre a amostra RPT e uma amostra de referência solidificada à pressão atmosférica - indica o teor relativo de hidrogénio.

Interpretação:

• PI < 0,1: Excelente (porosidade muito baixa).
• PI 0,1-0,15: Aceitável para a maioria das aplicações estruturais.
• PI 0,15-0,3: Marginal, requer atenção.
• PI > 0,3: Inaceitável, é necessário desgaseificar.

Limitações: A RPT fornece um índice relativo e não um valor absoluto de hidrogénio em mL/100g. A técnica do operador afecta significativamente os resultados.

Análise de fusão de gás LECO

A análise LECO utiliza a combustão/fusão de uma amostra de alumínio sólido e mede o hidrogénio evoluído através da deteção da condutividade térmica. Este método fornece uma concentração absoluta exacta de hidrogénio em ml/100g, mas requer equipamento de laboratório e tempo de preparação da amostra (normalmente 30-60 minutos por amostra). É útil para a calibração e verificação, mas demasiado lento para o controlo do processo em tempo real.

Telegas / Alscan Medição contínua

Os sensores electroquímicos e de equilíbrio de pressão podem medir o teor de hidrogénio em tempo real enquanto o metal está a ser tratado. O sistema Alscan (e produtos semelhantes) utiliza uma sonda imersa na massa fundida que atinge o equilíbrio com o hidrogénio dissolvido. Estes instrumentos fornecem leituras contínuas de hidrogénio durante a desgaseificação, permitindo aos operadores interromper o tratamento precisamente quando o nível pretendido é atingido, em vez de tratar durante um período de tempo fixo.

Comparação de métodos de medição

Normas de qualidade e níveis aceitáveis de hidrogénio por aplicação

Diferentes aplicações de fundição têm diferentes tolerâncias à porosidade induzida pelo hidrogénio. A compreensão destes limiares permite que as fundições optimizem o esforço de desgaseificação proporcionalmente - evitando o tratamento excessivo de peças pouco críticas e assegurando um tratamento adequado para aplicações críticas em termos de segurança.

Objectivos de nível de hidrogénio por aplicação

Sistemas de classificação de porosidade

As radiografias de referência padrão da ASTM (ASTM E155) fornecem um sistema de classificação para a porosidade visível na inspeção radiográfica. Os limites das especificações indicam normalmente um nível máximo de classificação (por exemplo, grau 2 ou superior da norma ASTM E155) para cada classe de peça.

A norma europeia EN 12681 abrange o exame radiográfico de peças fundidas com critérios de aceitação específicos por classe de qualidade.

Como o tratamento térmico interage com o teor de hidrogénio

Uma interação importante e muitas vezes negligenciada: as peças fundidas de alumínio tratadas termicamente por tratamento de solução T6 a 520-540°C formam bolhas na superfície se o teor de hidrogénio residual for demasiado elevado. A temperatura elevada aumenta as taxas de difusão do hidrogénio e provoca o crescimento da porosidade sub-superficial, formando bolhas visíveis. É por isso que o controlo do hidrogénio é importante não só para as propriedades mecânicas, mas também para a capacidade de processamento a jusante.

Falhas comuns de desgaseificação, causas principais e acções corretivas

Após anos de apoio às operações de fundição, documentámos modos de falha recorrentes que prejudicam a eficácia da desgaseificação. A maioria pode ser evitada com um controlo sistemático do processo.

Tabela de análise do modo de falha

O problema da regaseificação

Um dos modos de falha mais frustrantes que encontramos é o desempenho correto da desgaseificação confirmado por medição - seguido de defeitos de porosidade nas peças fundidas finais. A causa é quase sempre a regaseificação durante a transferência do metal. Quando o metal devidamente desgaseificado flui através de uma lavagem aberta, é vertido numa panela a partir de uma altura ou transferido por uma bomba com um design inadequado, a absorção de hidrogénio recomeça imediatamente. O teor reduzido de hidrogénio do metal cria um gradiente de concentração acentuado com a atmosfera húmida, acelerando a re-captação.

As soluções incluem:

• Sistemas de transferência fechados com cobertura de gás inerte.
• Tampas de lavagem e altura mínima de queda.
• Fundição tão rápida quanto possível após a desgaseificação.
• Posicionamento da estação de desgaseificação o mais próximo possível do ponto de fundição.

Considerações ambientais e de segurança nas operações de desgaseificação

Requisitos de extração de fumos

Todas as operações de desgaseificação geram fumos - o gás hidrogénio que sai da fusão transporta partículas de óxido e, se forem utilizados agentes à base de cloro, gases ácidos. Os limites de exposição no local de trabalho da OSHA e da UE exigem:

• Extração eficaz do dossel diretamente acima das estações de desgaseificação.
• Monitorização de gases para cloro e HCl quando são utilizados agentes químicos.
• EPI do trabalhador, incluindo proteção respiratória durante a adição de fluxo.

Transição para o abandono dos agentes clorados

A pressão ambiental está a empurrar as fundições para uma desgaseificação sem cloro. A boa notícia é que os modernos equipamentos de desgaseificação rotativa com fluxo optimizado de árgon ou azoto podem conseguir uma excelente remoção de hidrogénio e um controlo razoável dos metais alcalinos sem cloro. Algumas misturas de gases patenteadas que utilizam quantidades muito pequenas de alternativas de freon oferecem remoção de metais alcalinos com toxicidade reduzida em comparação com o cloro.

Eliminação do veio de grafite

Os veios e impulsores de grafite usados são geralmente classificados como resíduos sólidos não perigosos, mas qualquer contaminação por resíduos de fluxo deve ser avaliada antes da eliminação. A maioria das fundições recicla componentes de grafite para processadores de grafite especializados.

Pegada de carbono da produção de gás de desgaseificação

O árgon é produzido como um subproduto da separação do ar nas indústrias siderúrgica e química - a sua pegada de carbono na produção é baixa. O azoto é ainda mais baixo. O custo energético do processo de desgaseificação em si (potência do motor, compressão de gás) é menor em relação à energia de fusão. A desgaseificação adequada que elimina as rejeições de fundição tem um impacto ambiental positivo líquido ao reduzir a energia de refusão.

Desgaseificação em diferentes sistemas de ligas de alumínio

Nem todas as ligas de alumínio respondem de forma idêntica ao tratamento de desgaseificação. A composição da liga afecta a solubilidade do hidrogénio, o risco de reação com os gases de desgaseificação e a presença de outras espécies dissolvidas que necessitam de ser removidas juntamente com o hidrogénio.

1xx.x Ligas de alumínio puro

O alumínio puro tem uma solubilidade moderada em hidrogénio e responde bem à desgaseificação com azoto. O risco de contaminação por metais alcalinos é menor e a formação de nitretos induzida pelo azoto não é uma preocupação em níveis práticos de magnésio.

3xx.x Ligas de fundição Al-Si

As ligas mais comuns de fundição sob pressão e fundição por gravidade (A380, A356, A319) são à base de silício. O silício não afecta significativamente a solubilidade do hidrogénio. As adições de magnésio na A356 (0,25-0,45% Mg) são suficientemente elevadas para que o árgon seja preferível ao azoto em aplicações de precisão para evitar qualquer risco de formação de nitretos.

5xx.x Ligas de Al-Mg

O elevado teor de magnésio (4-5%) aumenta drasticamente a tendência para a absorção de hidrogénio e a reação com a humidade atmosférica (o magnésio é higroscópico e reativo). O árgon é obrigatório para estas ligas. Os tempos de tratamento podem ter de ser prolongados porque a superfície fundida tende a formar uma pele de óxido menos protetora em comparação com as ligas que contêm silício.

7xx.x Ligas Al-Zn-Mg

Ligas aeroespaciais de primeira qualidade com os mais elevados requisitos de desempenho mecânico. Estas requerem o mais rigoroso controlo de hidrogénio (< 0,10 mL/100g) e beneficiam de desgaseificação rotativa combinada com tratamento de vácuo em algumas aplicações. O árgon é o gás de purga correto.

Considerações sobre o alumínio reciclado

O alumínio secundário proveniente de sucata reciclada chega normalmente com um teor de hidrogénio mais elevado e com mais contaminação do que o metal primário. O tratamento de desgaseificação do alumínio secundário deve ser alargado em comparação com o processamento de ligas primárias, sendo frequentemente adequado um tratamento de fluxo adicional para a remoção de metais alcalinos. A medição antes e depois do tratamento é especialmente importante quando se processa material reciclado, uma vez que os níveis de hidrogénio podem variar significativamente de lote para lote.

Perguntas frequentes sobre o processo de desgaseificação do alumínio

1: Qual é o teor ideal de hidrogénio no alumínio antes da fundição?

O nível aceitável de hidrogénio depende inteiramente da aplicação. Para peças fundidas estruturais gerais, a maioria das fundições tem como objetivo um nível inferior a 0,20 mL/100g de Al. Componentes automotivos de segurança crítica requerem menos de 0,15 mL/100g, enquanto as peças fundidas aeroespaciais exigem menos de 0,10 mL/100g. Peças estanques à pressão para sistemas hidráulicos normalmente exigem menos de 0,12 mL/100g. Consulte sempre a especificação de material específica do seu cliente antes de estabelecer objectivos de processo.

2: Quanto tempo deve demorar a desgaseificação do alumínio?

O tempo de tratamento depende do teor inicial de hidrogénio, do volume de fusão, do tipo de equipamento e do caudal de gás. A desgaseificação rotativa em lote de uma panela de 500 kg com uma unidade adequadamente dimensionada requer normalmente 10-20 minutos. Os sistemas em linha tratam o metal continuamente com tempos de permanência típicos de 3-8 minutos. Prolongar o tratamento para além do ponto em que a medição do hidrogénio não mostra qualquer redução adicional é um desperdício e pode aumentar o aprisionamento de óxidos.

3: O alumínio pode ser desgaseificado em excesso?

Sim, num sentido prático. Tempos de tratamento extremamente longos aumentam o risco de aprisionamento de película de óxido na massa fundida (devido à agitação prolongada da superfície), aumentam a perda de temperatura do metal e desperdiçam gás e energia. Além disso, taxas de fluxo de gás muito altas ou RPM excessivas no impulsor criam vórtices na superfície que reintroduzem gases atmosféricos. A desgaseificação ideal atinge o nível de hidrogénio pretendido com um tempo de tratamento mínimo.

4: Porque é que a porosidade do hidrogénio reaparece após a desgaseificação?

A regaseificação é a causa mais comum. Mesmo o metal corretamente desgaseificado reabsorverá rapidamente o hidrogénio se estiver:

• Transferido através de lavadores abertos e turbulentos
• Derramado de uma altura significativa em conchas abertas
• Mantido em fornos de espera com condições de humidade elevada
• Tratadas e depois mantidas durante longos períodos antes da fundição

A solução é minimizar o tempo e a exposição entre a desgaseificação e a fundição, e usar sistemas de transferência fechados com coberturas de gás inerte sempre que possível.

5: Qual é a diferença entre o azoto e o árgon na desgaseificação do alumínio?

Ambos os gases funcionam através da introdução de bolhas de baixa pressão parcial de hidrogénio na massa fundida. O azoto é menos dispendioso, mas pode reagir com o magnésio, formando inclusões de nitreto de alumínio em ligas com Mg. O árgon é totalmente inerte com todas as ligas de alumínio em qualquer composição. Para ligas que contenham mais de aproximadamente 0,5% de magnésio, o árgon é a escolha recomendada. Para ligas de fundição à base de silício sem magnésio significativo, o azoto é frequentemente uma opção rentável.

6: Como é que sei quando é que o meu impulsor de grafite precisa de ser substituído?

Os sinais de desgaste ou danos no impulsor incluem:

• Inspeção visual que mostra a erosão das pás do impulsor
• Eficiência de desgaseificação reduzida com as mesmas RPM e fluxo de gás (confirmado por medição)
• Oscilação física ou vibração durante a rotação
• Saída visível de gás do veio e não dos orifícios do impulsor

A maioria das fundições estabelece um intervalo de substituição programado com base no controlo da perda de peso ou na contagem do ciclo de tratamento. Os impulsores desgastados produzem bolhas maiores e menos uniformes que reduzem a eficácia da desgaseificação.

7: O Teste de Pressão Reduzida (RPT) é suficientemente preciso para o controlo de qualidade?

O RPT é adequado para monitorização de processos e tendências, mas tem limitações como ferramenta de medição absoluta. Os operadores especializados obtêm resultados relativos repetíveis. Para a certificação de normas aeroespaciais ou de alta precisão, a análise LECO ou a medição eletroquímica contínua fornecem a precisão necessária. Muitas operações utilizam RPT para monitorização de rotina e LECO para calibração periódica e auditorias de qualidade.

8: Qual é a causa das impurezas brancas durante a desgaseificação?

A formação de escória branca ou de cor clara durante a desgaseificação indica normalmente a formação de óxido de alumínio na superfície da fusão. Isto pode resultar de:

• Agitação de superfície com oxigénio atmosférico
• RPM demasiado elevadas, criando um vórtice de superfície
• Fluxo insuficiente para consolidar as películas de óxido

A escória escura ou oleosa pode conter mais resíduos de fluxo ou contaminação orgânica da sucata. A formação de impurezas é normal na desgaseificação, mas o excesso de impurezas indica uma oportunidade de otimização do processo.

9: A desgaseificação rotativa também pode remover inclusões não metálicas?

As bolhas de gás que sobem através da massa fundida fixam-se e elevam algumas inclusões não metálicas para a superfície, particularmente óxidos e inclusões de fundentes. No entanto, a desgaseificação rotativa não é um método de filtração fiável. Para aplicações que exigem um baixo teor de inclusões, a filtração com espuma cerâmica após a desgaseificação é a abordagem padrão. A combinação de desgaseificação seguida de CFF (filtração de espuma cerâmica) é a melhor prática para peças fundidas aeroespaciais e de segurança crítica.

10: Como é que a temperatura da massa fundida afecta a eficiência da desgaseificação?

As temperaturas mais elevadas aumentam as taxas de difusão do hidrogénio, o que melhora ligeiramente a cinética da desgaseificação. No entanto, as temperaturas mais elevadas também aumentam a solubilidade do hidrogénio, o que significa que mais hidrogénio se pode dissolver. Para além disso, as temperaturas mais elevadas aceleram a oxidação da superfície fundida. Na prática, a desgaseificação à temperatura normal de fundição (tipicamente 720-760°C para a maioria das ligas de fundição de alumínio) é apropriada. Um desvio significativo acima ou abaixo deste intervalo sem ajustar os parâmetros de tratamento pode afetar os resultados.

Resumo e principais conclusões

O processo de desgaseificação do alumínio é uma disciplina tecnicamente sofisticada mas bem compreendida quando abordada de forma sistemática. Os princípios fundamentais que conduzem a resultados bem sucedidos são:

• Controlo dos pontos de entrada de hidrogénio antes que se tornem um problema de desgaseificação
• Adequar o equipamento ao volume de produção e ao tipo de liga - os sistemas de impulsor rotativo superam os métodos de lança ou de fluxo em quase todos os parâmetros
• Selecionar o gás de purga com base na química da liga - árgon para ligas que contenham magnésio, azoto aceitável para muitas ligas de fundição à base de silício
• Medir o teor de hidrogénio de forma fiável - RPT para monitorização de processos, LECO ou sensores contínuos para aplicações de precisão
• Evitar a regaseificação minimizando o tempo e a exposição entre a conclusão da desgaseificação e a fundição do metal
• Manutenção rigorosa do equipamento - impulsores desgastados, orifícios de gás bloqueados e lanças contaminadas destroem a eficiência da desgaseificação

Na AdTech, fornecemos rotores de desgaseificação, eixos e sistemas de desgaseificação em linha concebidos para satisfazer toda a gama de requisitos de fundição - desde pequenas oficinas até linhas de fundição automóvel de grande volume. A compreensão que desenvolvemos através do trabalho direto com engenheiros de fundição e equipas de qualidade em várias indústrias informa tudo o que produzimos.

Quer esteja a especificar equipamento de desgaseificação para uma nova linha de fundição, a resolver problemas de porosidade persistente na produção existente ou a avaliar opções de gás para reduzir os custos operacionais, os princípios deste artigo fornecem a base técnica para tomar decisões informadas.