M. Sc. ODNEY CARLOS BRONDINO

DORACY HELFSTEIN CHRISTE

APLICAÇÃO DE CARBURANTES NA OBTENÇÃO DOS FERROS FUNDIDOS CINZENTO E NODULAR.

Este trabalho tem como objetivo contribuir para o conhecimento dos profissionais que atuam na área metalúrgica, em especial aqueles que estão envolvidos, de forma direta ou indireta, em processos de fundição de ferros fundidos cinzento e nodular. Serão enfocadas as aplicações que conduzem aos melhores resultados obtidos com a aplicação dos carburantes comerciais existentes no mercado, com ênfase nos constituídos de grafite sintético altamente cristalino, que pode ser utilizado tanto como carburante.

Cabe ressaltar que este trabalho não irá se fixar numa determinada aplicação específica, mas sim em explicações genéricas que, conforme dito anteriormente buscam contribuir para um melhor entendimento do usuário que utiliza estas técnicas em seu dia a dia. Portanto, este material é útil como fonte de informação, que deve ser deixado em local de fácil acesso para que quando necessário, possa ser consultado.

1.1 APLICAÇÃO DE CARBURATNES NA FUNDIÇÃO.

1.1.1 Carburação do Metal Base.

A carburação pode ser definida como sendo uma etapa do processo que visa aumentar o teor

de carbono em ligas ferrosas, aços e ferros fundido. Enfatizaremos neste trabalho a carburação aplicado a ferro fundido cinzento e nodulares, em se tratando de seu enorme interesse comercial e importância tecnológica.

Segundo Chiaverini [1], devido à influência do silício nas ligas de Fe-C, o ferro pode ser considerado como uma liga ternária Fe-C-Si. Sendo assim, o ferro fundido pode ser definido como “uma liga de teores de carbono normalmente acima de 2,0% em quantidade superior à que pode ser retirada em solução sólida na austenita, de modo a resultar carbono parcialmente livre, na forma de nódulos, veios ou lamelas de grafita”.

Normalmente a carga de um metal base é constituída de sucata de aço, ferro gusa, retornos na forma de canais, cavaco de usinagem e refugos, além dos elementos de liga. Este tipo de carga objetiva a obtenção de um metal base de baixo custo, dentro das faixas de composição química pré-fixadas e que os fundidos obtenha as propriedades físicas e mecânicas desejáveis, sendo que para o carbono sua deficiência é compensada através de matérias primas denominadas de carburantes [2]. A carga do metal base pode variar de acordo com as características e necessidades da empresa, buscando minimizar, sempre que possível o custo do metal base [3].

O carbono, por sua vez, é um elemento químico não metálico, número atômico 12,11 e é representado pela letra “C” na tabela periódica. Ele compõe a atmosfera juntamente com o oxigênio e outros gases.

1.1.2 O Ciclo do Carbono na Natureza.

A clorofila é uma estrutura química presente na maioria dos vegetais e é responsável pela realização da fotossíntese na presença da luz solar, retirando da atmosfera o gás carbônico e liberando o oxigênio. O gás carbônico é fixado na forma de substância orgânica, formando complexa moléculas, dentre as quais se podem citar os carboidratos como o açúcar, o amido e a celulose.

Ao contrário das plantas, os animais não podem formar substâncias orgânicas e por isso nutrem-se de vegetais. Os animais carnívoros e o homem alimentam-se de carne dos herbívoros, Todos os seres vivos respiram e devolvem o carbono para a atmosfera, da mesma forma. Efeito similar ocorre na queima de combustíveis, onde os motores a explosão devolvem também grande quantidade de carbono à atmosfera.

A natureza possui reservas naturais de carbono, que são o carvão mineral, o grafite mineral e o petróleo. O diamante é um minério constituído somente de carbono e normalmente é livre de impurezas.

1.2 TIPOS DE FONTES DE CARBONO.

1.2.1 Coque de Babaçu.

O babaçu é uma palmeira que produz frutos, de cujas sementes é extraído óleo comestível. Da

casca deste fruto, através de combustão incompleta, é obtido o coque de babaçu. Na figura 1 são mostrados os produtos na forma em que é comercializado e seu aspecto microestrutural é observado na figura 2.

Figura 1 – Aspecto do coque de babaçu,

obtido através da combustão incompleta do fruto obtido da palmeira.

Figura 2 – Aspecto microestrutural do coque de babaçu observado via MEV (BSD –

detector de elétrons retroespalhados). O coque de babaçu é um carburante ultrapassa e foi utilizado no passado por muitas fundições

no Brasil. Entretanto, atualmente este produto deixou de ser usado pelos seguintes motivos:

A. Qualidade Irregular: como este material é produzida de forma rudimentar em fornos de carvoaria, a qualidade do material é muito instável, principalmente pela má coqueficação e umidade. A produção deste material se concentra no estado do Maranhão, o que dificulta o transporte até a região Sudeste, maior centro indústria do Brasil que faz uso deste tipo de material.

B. Baixo Rendimento: Por apresenta altos teores de materiais voláteis e de cinzas, o rendimento deste produto fica em torno de 50%, muito baixo quando comparado com seus concorrentes alternativos.

C. Volume: Valores de granulometria concentrados entre 5 a 60 mm, o baixo rendimento e elevados percentuais de materiais voláteis e de cinzas além de uma microestrutura muito porosa, fazem com que seja necessário adicionar o dobro de carburante no forno, o que ocupa muito espaço, limitando o espaço da carga metálica e resultando em maior custo de energia. Embora o preço deste produto seja significativamente mais baixo com relação a outros tipos de carburante, a aplicação se inviabiliza ao se analisar todos os parâmetros, o que resulta numa relação custo / benefício muito elevada.

1.2.2 Carvão Mineral.

Este tipo de carvão é originado pelo soterramento de matéria orgânica em grandes

profundidades, num processo que leva cerca de 480 milhões de anos, aliado às condições de umidade, pressão e temperaturas entre 600 a 1200°C. Com passar do temo, o carvão tende a aumentar o teor de carbono, obedecendo à seguinte ordem: “carvão vegetal” “carvão betuminosos” “carvão antracitoso”.

O carvão mineral é conhecido também como Cardiff e tem uma grande aplicação industrial como aditivo de areia verde utilizada na confecção de moldes de areia em fundições. O produto ideal para esta aplicação deverá possuir um percentual de materiais voláteis a 30%. Ao vazar o metal líquido no molde, os materiais voláteis contidos no carvão mineral se volatizam formando “carbono vítreo”, o que proporciona uma atmosfera redutora na interface do metal / molde, melhorando a superfície da peça, além de dificultar a aderência de areis no fundido.

1.2.3 Grafite Natural.

Nos primórdios da terra, grande quantidade de algas vivia nas planícies dos oceanos. Tais algas

foram soterradas por sedimentos argilosos e arenosos. Através do tempo, estes sedimentos foram submetidos pelos processos geológicos à grande pressão e temperatura, resultando em rochas gnássicas, conhecida também como silicato de alumínio cristalino.

O grafite natural tem sua maior aplicação como carburante em ferro fundido nodular, devido ao seu baixo teor de enxofre, o que faz com que o magnésio da liga de adição seja mais efetivo durante a reação de nodularização, pois o mesmo tem muita afinidade com o enxofre. Sendo assim, carburantes com elevados teores de enxofre são desaconselháveis para ferros fundidos nodulares. Este tipo de grafite possui em trono de 9% de cinzas e também possui outros constituintes normalmente de SiO2, Al2O3, FeO3, MnO2, TiO2, CaO, etc. Com o tempo, estas impurezas, juntamente com a escória impregnam o refratário, podendo ocorrer o estrangulamento do forno, reduzindo o volume de carga na fusão. Por ser um material friável, ele pode ser facilmente fragmentado a pó, quando utilizado em ambiente agressivo como, por exemplo, no forno a arco. Como pode ser observar na figura 3, através de um microscópio eletrônico de varredura (MEV), onde a estrutura é constituída na forma de placas, Isso dificulta a dissolução no metal líquido, proporcionando um baixo rendimento em relação a outras formas de carburação.

Figura 3 – Micrografia observada via MEV – BSD, mostrando a sobreposição de placas do grafite natural.

1.2.4 Coque Verde.

O coque verde é um subproduto do petróleo. A história do petróleo começou há muitos milhões de anos, quando grande quantidade de materiais orgânicos foi soterrada sob camadas de minerais. Através de um lento processo de decomposição, a matéria se transformou num óleo pegajoso e escuro, ficando retido no interior da crosta terrestre sob a forma de grandes lençóis líquidos. O petróleo é uns combustíveis compostos de hidrocarbonetos, que possuem ligações atômicas entre o carbono e hidrogênio. Quando refinado, obtêm-se inúmeros derivados, em proporções aproximadas de: 32% de óleo diesel; 19,3% de óleo combustível; 17,80% de gasolina; 11,3% de nafta e solvente; 8% de GLP, 6,2% de querosene e 5,9% de outros derivados. Na destilação final destes derivados obtemos um produto mais denso e relativamente rico em carbono, denominado coque verde.

O coque verde, apresentado na figura 4, não tem aplicação direta na fundição como carburante devido ao fato de ter elevado teores de materiais voláteis, podendo inflamar-se na ocasião da adição no forno. Em algumas siderúrgicas de ferro gusa, esta matéria prima está sendo utilizada em conjunto com o coque metalúrgico e o coque vegetal como fonte de energia e material redutor de minério de ferro nos altos fornos

Figura 4 – Aspecto representativo do coque verde de petróleo. 1.2.5 Coque Calcinado de Petróleo.

Através da calcinação do coque verde em fornos rotativos a temperatura em torno de 1200°C,

obtemos o coque calcinado de petróleo. A diferença entre o coque verde e o coque calcinado de petróleo reside nos teores de materiais voláteis que geram os gases. Os materiais voláteis desprendem-se do coque verde na ocasião da calcinação, atuando como combustível do próprio forno.

O coque calcinado de petróleo, mostrado na figura 5, é um excelente carburante devido à sua elevada quantidade de carbono fixo e baixíssimo teor de impureza, sendo um dos mais indicados para a carburação de ferros fundidos. Sua estrutura de forma esponjosa, mostrada na figura 6, facilita a dissolução no metal, tanto da carga sólida, quanto no metal líquido, Por apresentar uma vasta gama de granulometria, é aplicáveis aos mais diversos tipos de fornos de indução.

Figura 5 – Coque de petróleo calcinado obtido através da calcinação do

coque verde em temperaturas próximas de 1200/c.

Figura 6 – Micrografia representativa do coque de petróleo calcinado via Mev – BSD,

mostrando sua estrutura esponsoja. A freqüência (Hz) de trabalho aplicada nos fornos de indução exerce grande influência na

dissolução do carbono e outros elementos. Isto acontece devido à convecção criada no interior do forno, podendo resultar em divergências com respeito ao rendimento do carburante quando aplicado em fornos de indução operados a diferentes freqüências.

1.2.1 Grafite Sintético.

O grafite sintético, mostrado na figura 7, é obtido industrialmente em fornos elétricos numa

temperatura próxima a 2500°C. O coque de petróleo calcinado é a matéria-prima básica e o tempo de permanência no forno irá determinar as características finais do produto.

Figura 7 – Aspecto morfológico representativo do grafite sintético cristalino, produzido em

temperaturas próximas de 2500°C.

Figura 8 – Micrografia observada via MEV – BSD mostrando a morfologia do

grafite cristalino. Este tipo de grafite é mais pura forma do carbono para aplicação em metalurgia. Devido à alta

concentração da grafita e baixíssimos teores de materiais voláteis e enxofre, este produto é o mais avançado carburante para ferro fundido nodular, cinzento e aços especiais. Por possuir granulometria variável, ele pode ser adaptável a todo tipo de forno, além de não ser friável, obtendo assim o melhor rendimento entre os carburantes comerciais. O grafite sintético pode também ser elaborado para aplicações mais específicas como, por exemplo, os inoculantes, agindo como formador de substratos de carbono. Isso gera uma grande quantidade de núcleos, o que propicia boa grafitização em ferros fundidos cinzentos e nodulares, o que auxilia muito os processos de usinagem posteriores,

diminuindo fortemente a tendência ao coquilhamento e minimizando os efeitos deletéricos dos elementos promovedores de carbonetos.

1.2.6 Coque Metalúrgico.

O coque metalúrgico é também conhecido comercialmente como coque de fundição ou carvão coque. Este material é produzido através da coqueficação do carvão mineral Betuminoso em fornos de coqueria ou ainda nos fornos do tipo colméia. Pode-se utilizar ainda o coque verde em combinação com o carvão mineral, no intuito de aumentar o poder calorífico com a redução do teor de cinza. A aplicação deste produto é normalmente destinada para altos fornos de siderúrgicas e fornos do tipo cubilô, como fonte de energia e formação de atmosfera redutora.

1.2.7 Sucata de Eletrodo.

A sucata de eletrodo é um material obtido através da moagem de eletrodos danificados ou já

utilizado e de dispositivos utilizados em fornos elétricos a arco, entre outros materiais carbonosos, que são sucatados por motivos de quebra, como blocos de grafite de eletro-erosão, materiais condutores, etc. Devido ao fato de serem originados do sucateamento de materiais grafíticos aplicados em diferentes ambientes, eles são constituídos de uma mistura de muitos materiais e apresentam freqüentemente elementos deletérios que prejudicam na produção de ferros fundidos.

Ainda nos dias de hoje é polêmica sua aplicação, devido a inúmeros casos, onde utilização não apresenta resultados desejáveis. Sendo assim, sua apresentação neste trabalho foi somente para efeito ilustrativo.

1.3 CARACTERÍSTICAS DAS MATÉRIAS-PRIMAS: CARBURANTES.

Os produtos carbonosos são diferenciados pela composição química, granulometria e estrutura.

Para se observar a pureza do carbono, analisamos os elementos químicos contidos nela, que são os percentuais de carbono fixo, de materiais voláteis, de cinzas e de enxofre. Quanto maior for à quantidade de carbono fixo, maior será a pureza do carburante (veja a tabela 1).

Tabela 1 – Elementos constituintes dos carburantes, aplicados na indústria metalúrgica.

CARBURANTES %

CARBONO % MAT. VOLÁTEIS

% CINZAS % ENXOFRE

Coque de babaçu 75 10 15 0,10 Carvão mineral 45 – 55 25 – 35 10 – 30 1 – 3 Grafite mineral 90 1 9 0,10 Coque verde 90 10 1 0,80 Coque cal. de petróleo 98 1 1 0,60 Grafite sintético 99 0,50 0,50 0,10 – 0,25 Coque metalúrgico 82 – 89 1 8 – 17 1 - 2

Os carburantes também são classificados através da granulometria, baseado nos métodos de

peneiramento, que fornecem a distribuição das partículas e suas frações correspondentes. Na metalurgia, dependendo do tipo de aplicação, utilizamos as mais variadas granulometria, que

normalmente compreendem as seguintes faixas: 0 a 1 mm, 1 a 4 mm, 4 a 11 mm, 5 a 25 mm, entre outras.

A estrutura do carburante é definida pela disposição e arranjo dos átomos, o que, por sua vez, caracteriza o produto como sendo cristalino, ou seja, um sólido fisicamente uniforme em três dimensões, com uma ordem repetitiva de longa distância. Quando isto não ocorre, dizemos que o material é amorfo. Na tabela 1 o coque de babaçu, o carvão mineral, o coque verde, o coque calcinado de petróleo e o coque metalúrgico possuem estrutura amorfa. O grafite natural e o grafite sintético, por sua vez, possuem estrutura cristalina e seus átomos de carbono são arranjados estruturalmente na forma de placas, possuindo baixa energia de ligação com as outras placas adjacentes, o que favorece o escorregamento. Sendo assim, os grafites são também empregados como lubrificantes.

II. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.

1. CHIAVERINI, V. “Aços e Ferros Fundidos” 5ª Edição Publicação Brasileira de Metais – são Paulo 1984.

2. TAVARES, F. C. L.; MONTEIRO, M. S. C. E SOARES, G. A. “Efeito do material de carga na obtenção de ferros fundidos nodulares ferríticos”. Trabalho apresentado no CONAF 97.

3. MARINARI, P. I. C. “Aspetti praticidella fabbricazione di getti com grafite vermiculare”. Indústria Chimica C. Laviosa S.p.A. LIVORNO P. 26 – 34. La fondeira Italiana N.9-10/1985.