Caracterização do eletrodo de aterramento de aço AISI 304L após operação em forno de indução

Abstract

Os fornos de indução com cadinho exigem sistemas de segurança, dentre os quais se destaca o eletrodo de aço AISI 304L, que é passante pelo refratário, promove o aterramento do banho metálico e atua como sistema de detecção de possíveis penetrações metálicas em direção à bobina, garantindo a segurança operacional. A compreensão dos mecanismos de falha pode contribuir para o aumento da segurança operacional do forno, além de subsidiar estratégias de mitigação de danos e de prolongamento da vida útil do componente. Este trabalho tem como objetivo caracterizar o eletrodo de aterramento de aço AISI 304L após o fim de sua vida útil, determinada pelo desgaste do refratário ou pela falha do sistema de aterramento. A análise busca avaliar a ocorrência de difusão de carbono do metal fundido para o eletrodo, a formação de carbonetos, a segregação de cromo nos contornos de grão e suas correlações com os valores de microdureza e resistividade elétrica. As análises foram conduzidas em diferentes regiões do eletrodo, variando a distância em relação ao metal líquido, por meio de microscopia óptica e eletrônica, simulações termodinâmicas (Thermo-Calc), microdureza, resistividade elétrica e composição química. A avaliação estatística dos dados de microdureza foi conduzida por meio dos testes de Shapiro-Wilk, para verificação da normalidade, e de Levene, para homogeneidade de variâncias, seguidos do teste t de Student para comparação de médias. As análises microestruturais revelaram microsegregação de cromo, indicando possível redução da resistência à corrosão e maior volume de carbonetos nas regiões próximas à extremidade em contato com o metal líquido. As imagens de MEV evidenciaram um gradiente de carbono mais acentuado nessa área e um gradiente térmico ao longo do eletrodo, refletido em variações no tamanho de grão. As medições de microdureza mostraram diferenças significativas entre as regiões analisadas, com valores mais elevados de 272,1 HV e 317,2 HV nas extremidades. O aumento de dureza em uma delas está associado ao maior teor de carbono e à nucleação de carbonetos M7C3 por difusão durante o uso, enquanto na outra resulta de tensões de compressão causadas pela restrição mecânica da carcaça metálica, que limita a dilatação térmica e gera encruamento localizado. O gradiente térmico e a diferença de expansão entre o aço da carcaça e o material cerâmico promovem microdeformações permanentes e um campo de tensões não uniforme ao longo do eletrodo. Esses fatores influenciaram diretamente as propriedades elétricas do material. A resistividade média aumentou de 0,712 µO·m para 0,779 µO·m após o uso, correspondendo a uma redução de condutividade de 1,40 MS/m para 1,29 MS/m, uma variação de cerca de 8%, atribuída a modificações microestruturais como crescimento de grão e a difusão de carbono da carga líquida para o eletrodo, que dificultam o transporte eletrônico. Contudo, esse aumento não é suficiente para comprometer o desempenho funcional do eletrodo no forno de indução.

Abstract: Induction furnaces with a crucible require safety systems, among which the AISI 304L steel electrode stands out. This electrode passes through the refractory, provides grounding of the molten bath, and acts as a detection system for possible metallic penetrations toward the coil, ensuring operational safety. Understanding the failure mechanisms can enhance the furnace?s operational safety and support strategies to mitigate damage and extend the component?s service life. This study aims to characterize an AISI 304L grounding electrode after the end of its service life, as determined by refractory wear or failure of the grounding system. The analysis evaluates carbon diffusion from the molten metal into the electrode, carbide formation, chromium segregation at grain boundaries, and their correlations with microhardness and electrical resistivity. Examinations were performed in different regions of the electrode at varying distances from the molten metal using optical and electron microscopy, thermodynamic simulations (Thermo-Calc), microhardness testing, electrical resistivity measurements, and chemical composition analysis. Statistical analysis of microhardness data was carried out using the Shapiro Wilk test for normality and Levene?s test for homogeneity of variances, followed by Student?s t-test for mean comparisons. Microstructural analyses revealed chromium microsegregation, indicating a potential reduction in corrosion resistance and a higher carbide volume fraction in regions near the end in contact with the molten metal. SEM images showed a more pronounced carbon gradient in this area and a thermal gradient along the electrode, reflected in variations in grain size. Microhardness measurements showed significant differences among the analyzed regions, with higher values of 272.1 HV and 317.2 HV at the ends. The hardness increase at one end is associated with higher carbon content and the diffusion-driven nucleation of M7C3 carbides during service, whereas at the other end it results from compressive stresses caused by mechanical constraint from the metallic shell, which limits thermal expansion and produces localized strain hardening. The thermal gradient and the mismatch in thermal expansion between the shell steel and the ceramic material promote permanent microdeformations and a nonuniform stress field along the electrode. These factors directly affected the material?s electrical properties. The average resistivity increased from 0.712 µO·m to 0.779 µO·m after service, corresponding to a decrease in conductivity from 1.40 MS/m to 1.29 MS/m (? 8%), attributed to microstructural changes such as grain growth and carbon diffusion from the molten charge into the electrode, which hinder electron transport. Nevertheless, this increase is not sufficient to compromise the electrode?s functional performance in the induction furnace.