construÇÃo de um forno cadinho fixo de baixo custo … · correia junior, maurício torres....
TRANSCRIPT
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RECÔNCAVO DA BAHIA
CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
BACHARELADO EM CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
CONSTRUÇÃO DE UM FORNO CADINHO FIXO DE BAIXO CUSTO
PARA FUNDIR METAIS NÃO FERROSOS
MAURÍCIO TORRES CORREIA JUNIOR
CRUZ DAS ALMAS
2016
MAURÍCIO TORRES CORREIA JUNIOR
CONSTRUÇÃO DE UM FORNO CADINHO FIXO DE BAIXO CUSTO
PARA FUNDIR METAIS NÃO FERROSOS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentada à Universidade Federal do Recôncavo da Bahia, como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel em Ciências Exatas e Tecnológicas. Orientador: Prof. Dr. Vitor Pinheiro Ferreira
CRUZ DAS ALMAS
2016
Correia Junior, Maurício Torres. Construção de um forno cadinho fixo de baixo custo para fundir metais não ferrosos / Maurício Torres Correia Junior. – Cruz das Almas, BA, 2016. 65 f. Orientador: Vitor Pinheiro Ferreira Trabalho de Conclusão de Curso – Universidade Federal do Recôncavo da Bahia, 2016. 1. Forno. 2. Fundição. 3. Metais.
MAURÍCIO TORRES CORREIA JUNIOR
CONSTRUÇÃO DE UM FORNO CADINHO FIXO DE BAIXO CUSTO
PARA FUNDIR METAIS NÃO FERROSOS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentada à Universidade Federal do Recôncavo da Bahia, como requisito parcial para obtenção do grau de Bacharel em Ciências Exatas e Tecnológicas.
Aprovado em: ____/____/____
Banca Examinadora:
___________________________________________________________________
Prof. Dr. Vitor Pinheiro Ferreira
___________________________________________________________________
Prof. Dr. Jacson Machado Nunes ___________________________________________________________________
Prof. Msc. Felipe Andrade Torres
Dedico esse trabalho a minha mãe Zélia
Souza Couto Correia e ao meu pai
Maurício Torres Correia.
AGRADECIMENTOS
Agradeço aos meus pais, Maurício Torres Correia e Zélia Souza Couto
Correia, aos meus irmãos Talita Sacramento Ribeiro e Marcos Couto Correia, e a
todos os meus familiares pelo apoio. Ao professor Vitor Pinheiro Ferreira pela
oportunidade de orientação e por compartilhar seus conhecimentos. Aos professores
do curso de Bacharelado em Ciências Exatas e Tecnológicas e aos servidores da
UFRB por colaborarem com a formação dos alunos de maneira exemplar. A Marina
Rodrigues de Souza Oliveira e a Breno Bitencourt pelo companheirismo. Aos amigos
e colegas da UFRB, principalmente a Adriano Ferreira dos Santos e Paulo José
Carvalho Mascarenhas Filho que foram companheiros de projeto. A Universidade
Federal do Recôncavo da Bahia pela estrutura física proporcionada e pela oferta do
curso de graduação. A todos que fizeram parte, direta e indiretamente, da minha
formação pessoal e acadêmica, só tenho a agradecer por tudo.
RESUMO
A fundição de metais exige equipamentos de fundamental importância para
efetivação desse processo. Esses equipamentos são os fornos, que tem como
função principal transferir ao metal o calor gerado pela combustão, com qualidade e
eficiência. O forno cadinho tem destaque quando se refere à utilização de
queimadores para fornecer a queima de combustível. Eles possuem limitações
físicas quando se deseja produzir altas faixas temperatura, devido a isso, eles são
ideais para fundir metais não ferrosos. Esse trabalho teve como objetivo principal
construir um forno a cadinho fixo de baixo custo com o intuito de promover a fusão
de metais, servindo de câmara de combustão para um queimador a gás. O forno
cadinho desenvolvido possui uma boa viabilidade econômica devido ao seu baixo
custo beneficio, sendo que os materiais utilizados em sua construção apresentam
baixo custo e possuem fácil acessibilidade no mercado. Ao fim do projeto foram
feitos testes para verificar a eficiência, a partir de análises do revestimento refratário
do forno, do comportamento da chama gerada pelo queimador, da máxima
temperatura atingida no interior do forno e do comportamento dinâmico do sistema
para fundir os metais. Foi verificada razoável estabilidade da chama do queimador
que opera segundo modo swirl. A temperatura máxima no interior do forno foi de
1250 ºC, sendo a temperatura máxima do costado do forno de 85 ºC e a temperatura
máxima em sua tampa de 210 ºC. O trabalho teve o intuito de impulsionar pesquisas
e práticas experimentais na área da metalurgia na UFRB, servindo de aparato
experimental para realização de diversos processos de fabricação, estudos de
combustão industrial e testes com combustíveis e queimadores alternativos.
Palavras-chave: Forno; fundição; metais.
ABSTRACT
The metal casting requires crucial equipment for the execution of this process. These
equipment are the furnaces, whose main function transfer to the metal heat
generated by combustion, with quality and efficiency. The crucible furnace has
highlighted when it comes to using burners to provide combustion of the fuel. They
have physical limitations when you want to produce high temperature ranges, due to
this, they are ideal for casting non-ferrous metals. This work aimed to build a low cost
fixed crucible furnace in order to promote foundry, serving as a combustion chamber
for a gas burner. The crucible furnace has developed a good economic viability
because of its low cost benefit, and the materials used in its construction are low cost
and have easy accessibility on the market. At the end of the project were done tests
to verify the efficiency, from analysis of the refractory lining of the furnace, the
behavior of the flame generated by the burner, the maximum temperature reached
inside the oven and system dynamic behavior to melt metals. Reasonable there was
stability of the burner flame that operates according swirl mode. The maximum
temperature inside the furnace was 1250 °C, the maximum temperature of the
outside of the furnace was 85 °C and the maximum temperature on the top was 210
°C. The work aimed to motivate researches and experimental practice in the area of
metallurgy at the University, serving as an experimental apparatus for performing
various manufacturing processes, industrial combustion studies and tests with
alternative fuels and burners.
Keywords: Furnace; foundry; metals.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ................................................................................................. 11
LISTA DE TABELAS ................................................................................................. 13
1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................... 14
1.1. Objetivos: ........................................................................................................ 15
1.1.1. Objetivo Geral: ......................................................................................... 15
1.1.2. Objetivos Específicos: .............................................................................. 16
1.2. Justificativas: .................................................................................................. 16
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .................................................................................. 17
2.1. Fusão de Metais ............................................................................................. 17
2.1.1. Preparação do metal para fusão .............................................................. 19
2.1.2. Transporte do metal fundido .................................................................... 19
2.2. Revestimento Refratário ................................................................................. 20
2.2.1 Propriedades ............................................................................................. 21
a) Densidade/Porosidade ............................................................................... 21
b) Resistência Mecânica ................................................................................. 21
c) Resistência ao Choque Térmico ................................................................. 22
d) Condutividade Térmica ............................................................................... 22
2.2.2. Tipos de Refratários ................................................................................. 23
a) Refratário Silicioso ...................................................................................... 23
b) Refratário de Alumina ................................................................................. 23
c) Refratário de Alta Alumina .......................................................................... 24
d) Refratário de Sílica ..................................................................................... 24
e) Refratário de Magnesita ............................................................................. 24
f) Refratário de Zircônio .................................................................................. 25
2.3. Fornos ............................................................................................................. 25
2.3.1. Fornos Elétricos ....................................................................................... 26
a) Forno elétrico a arco ................................................................................... 26
b) Forno a indução.......................................................................................... 28
2.3.2. Fornos a Combustão ................................................................................ 31
a) Alto-Forno ................................................................................................... 31
b) Forno Cubilot .............................................................................................. 32
2.4. Forno Cadinho ................................................................................................ 34
2.4.1. Os cadinhos ............................................................................................. 37
a) Propriedades dos cadinhos ........................................................................ 37
b) Tipos de cadinhos ...................................................................................... 38
2.4.2. Tenaz ....................................................................................................... 39
2.4.3. Fluxos ....................................................................................................... 40
2.4.4. Queimadores ............................................................................................ 41
a) Queimadores operados com combustíveis gasosos .................................. 42
b) Queimadores operados com combustíveis líquidos ................................... 43
c) Queimadores de óleo e queimadores combinados .................................... 44
d) Queimadores multicombustiveis ................................................................. 46
3. MATERIAIS E MÉTODOS..................................................................................... 47
3.1. Construção do Forno Cadinho ........................................................................ 48
4. RESULTADOS ...................................................................................................... 56
4.1. Teste de eficácia ............................................................................................. 56
4.2. Temperatura interna máxima .......................................................................... 58
4.2. Temperatura no costado do forno ................................................................... 59
4.2. Custo do forno ................................................................................................ 60
5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ....................... 62
5.1. Conclusões ..................................................................................................... 62
5.2. Sugestões para trabalhos futuros ................................................................... 62
REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 64
11
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1- Custo energético do processo de fundição dos metais .......................... 17
Figura 2.2- Revestimento refratário ........................................................................... 20
Figura 2.3- Forno elétrico a arco ............................................................................... 27
Figura 2.4- Iniciação do arco elétrico ........................................................................ 27
Figura 2.5- Princípio de funcionamento do forno a indução ...................................... 29
Figura 2.6- Forno a indução ...................................................................................... 29
Figura 2.7- Forno a indução acoplado a um sistema a vácuo ................................... 30
Figura 2.8- Seção transversal de um alto-forno ........................................................ 31
Figura 2.9- Forno Cubilot .......................................................................................... 33
Figura 2.10- Fornos a cadinho .................................................................................. 35
Figura 2.11- Esquema de orientação da chama no forno a cadinho ......................... 35
Figura 2.12- Esquema de retirada do cadinho .......................................................... 36
Figura 2.13- Cadinhos para fundição ........................................................................ 37
Figura 2.14- Posicionamento da tenaz ...................................................................... 40
Figura 2.15- Danos causados pelo uso excessivo de fluxo ....................................... 41
Figura 2.16- Esquema de um queimador a gás do tipo aspirante ............................. 42
Figura 2.17- Queimador a gás do tipo queima direta ................................................ 43
Figura 2.18- Bocal atomizador com fluxo auxiliar ...................................................... 44
Figura 2.19- Nebulização de óleo do tipo externa ..................................................... 45
Figura 2.20- Nebulização de óleo por mistura interna ............................................... 45
Figura 2.21- Principais componentes do queimador multicombustivel ...................... 46
Figura 3.1- Esboço do projeto ................................................................................... 47
Figura 3.2- Detalhe da base do forno ........................................................................ 48
Figura 3.4- Cadinho ................................................................................................... 49
Figura 3.3- Tubo de aço carbono .............................................................................. 49
Figura 3.6- Corte na parte superior do tonel.............................................................. 49
Figura 3.5 - Tonel utilizado como base de sustentação do forno .............................. 49
Figura 3.7- Furo feito no tonel para a passagem do tubo do queimador ................... 50
Figura 3.8- Montagem do forno ................................................................................. 51
Figura 3.9- Montagem da parte superior da parede .................................................. 52
Figura 3.10 - Tubo gabarito para criação da folga ..................................................... 52
12
Figura 3.11- Parede refratária do forno cadinho ........................................................ 53
Figura 3.12- Base do cadinho fixado no forno ........................................................... 53
Figura 3.13- Placa de fibra cerâmica ......................................................................... 54
Figura 3.14- Tampa refratária .................................................................................... 54
Figura 3.15- Termopar utilizado ................................................................................ 55
Figura 4.1- Montagem do queimador junto ao forno ................................................. 56
Figura 4.2- Sistema de fundição em funcionamento ................................................. 56
Figura 4.3- Inserção do metal no cadinho ................................................................. 57
Figura 4.4- Retirada do cadinho do forno .................................................................. 57
Figura 4.5- Vazamento do metal ............................................................................... 57
Figura 4.6- Gráfico da temperatura em função do tempo .......................................... 58
13
LISTA DE TABELAS
Tabela 2.1- Temperatura de Fusão e Vazamento ..................................................... 18
Tabela 2.2- Classificação de refratários baseado na composição química ............... 23
Tabela 2.3- Vantagens e limitações do forno elétrico a arco ..................................... 28
Tabela 2.4- Vantagens e limitações do forno a indução ............................................ 30
Tabela 2.5- Vantagem e limitações do forno cubilot .................................................. 34
Tabela 2.6- Comparação entre os fornos .................................................................. 36
Tabela 2.7- Tipos e composições dos cadinhos........................................................ 38
Tabela 2.8- Propriedades típicas dos cadinhos de acordo com o material ............... 39
Tabela 2.9- Aplicação dos cadinhos de acordo com as formas de energia .............. 39
Tabela 4.1- Custo com materiais utilizados ............................................................... 61
14
1. INTRODUÇÃO
A fundição é um processo da metalurgia que visa à fabricação de peças a
partir do vazamento de metal fundido em uma cavidade que possua as dimensões
necessárias para obter a peça desejada. A fundição é essencial na indústria devido
a sua grande versatilidade de produção, sendo que na fundição é possível produzir
peças muito simples ou de alta complexidade, além de peças que possuam poucas
gramas ou até que possuam toneladas. Ainda, a partir dela é possível produzir
lingotes, que são utilizados na fabricação de chapas e perfis, através de processos
de conformação mecânica como laminação, forjamento, extrusão, entre outros.
Portanto, a fundição, além de ser um processo de fabricação de peças, é um
processo que serve de base para outros processos metalúrgicos (CHIAVERINI,
vol.2, 1986).
Uma das partes mais importante da fundição é a etapa de fusão do metal, que
influencia diretamente no desempenho e qualidade do metal fundido, visto que é
necessário alto investimento em aparato tecnológico para produção em larga escala.
Além disso, é uma etapa que necessita de certo controle metalúrgico devido ao seu
elevado gasto energético. Para realizar fusão de metais nos processes de fundição
existem equipamentos que são de fundamental importância para efetivação do
processo. A partir deles é possível viabilizar a utilização de determinada matéria-
prima para fabricar peças. Esses equipamentos são os fornos, que tem como função
transferir ao metal o calor gerado pela combustão, com qualidade e eficiência. Os
principais são os fornos elétricos de indução, os fornos elétricos a arco, alto-forno, o
forno cubilot e o forno a cadinho, sendo que cada um possui suas peculiaridades,
como aplicações industriais especificas e características de dimensão, manuseio e
funcionamento. A escolha de determinado forno deve ser tomada a partir da
necessidade de escala de produção e do controle metalúrgico de produção
(OLIVEIRA, 2013).
O tipo de aquecimento é um dos fatores que destaca a caracterização do
forno, sendo que esse aquecimento pode ser obtido através da eletricidade ou pela
utilização de combustível. Os fornos que utilizam combustível para promover a fusão
do metal são chamados de fornos de combustão, sendo esses os que possuem
maior destaque na indústria quando se quer produzir ferro gusa e ferro fundido.
15
Esses tipos de fornos necessitam de um queimador para gerar o aquecimento
necessário para fundir o metal a partir da queima do combustível. Os queimadores
permitem a utilização de gás, óleo ou a combinação de ambos como combustíveis,
que ao se misturar com o ar realiza combustão (OLIVEIRA, 2013).
Os fornos a cadinho têm destaque quando se refere à utilização de
queimadores para fornecer a queima de combustível. Os fornos a cadinho possuem
limitações físicas quando se deseja produzir altas faixas temperatura, devido a isso,
eles são ideais para fundir metais não ferrosos. Sendo assim, eles são viáveis para
produção de baixa escala em empresas de pequeno porte, ou em laboratórios de
pesquisas quando se quer analisar comportamento de metal fundido, estudo da
chama de combustão, teste de cadinhos e revestimentos térmicos. É importante
salientar que os fornos a cadinho possuem dispositivos importantes que trabalham
em conjunto para fornecer uma boa eficiência. Além do queimador, eles necessitam
de cadinho, ferramentas de manuseio para inserção e retirada do cadinho, tampa de
vedação, base de apoio e revestimento térmico refratário (OLIVEIRA, 2013).
Esse trabalho apresentará um forno a cadinho de baixo custo que foi
construído com o intuito de promover a fusão de metais, servindo de câmara de
combustão para um queimador a gás. O comportamento dinâmico do forno quando
o metal se funde é relatado. Além disso, o desempenho do revestimento térmico de
baixo custo utilizado no procedimento, assim como, todos os outros dispositivos
utilizados para proporcionar o funcionamento ideal do forno são relatados no
trabalho.
1.1. Objetivos:
1.1.1. Objetivo Geral:
Esse trabalho tem como objetivo principal construir um forno a cadinho fixo de
baixo custo para fundir metais não ferrosos, que serão posteriormente vazados em
um molde de areia verde para fabricação de peças utilizando material sucateado
como matéria-prima de fundição.
16
1.1.2. Objetivos Específicos:
- Pesquisar as diversas configurações de fornos de fundição disponíveis no
mercado;
- Avaliar a viabilidade econômica do forno proposto.
- Avaliar a eficácia do revestimento térmico do forno.
- Examinar o comportamento da chama gerada no forno, analisando-o como uma
câmara de combustão.
- Examinar o máximo valor de temperatura obtido com as configurações do
queimador na câmara, no costado do forno e na sua tampa.
- Examinar o comportamento estrutural do forno no processo de fusão de metais de
baixo ponto de fusão como alumínio, cobre e latão.
1.2. Justificativas:
A construção de um forno a cadinho serve de estrutura física para
demonstração e aplicação da metalurgia no curso de bacharelado em ciências
exatas e tecnológicas, além de motivar os estudantes do curso a ingressarem na
terminalidade de engenharia mecânica. Esse trabalho tem o intuito de impulsionar
pesquisas e práticas experimentais na área da metalurgia, sendo que o forno pode
servir de aparato experimental para realização de diversos processos de fabricação,
estudos de combustão industrial e testes com combustíveis e queimadores
alternativos. A aplicação prática e o aperfeiçoamento dos processos pode aumentar
a experiência na área de estudo proporcionando uma linha para a criação de futuros
cursos de pós-graduação latu-sensu e Mestrado na Universidade.
17
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
2.1. Fusão de Metais
A fundição de metais, vidro e outros materiais tem sido um processo de
fabricação vital por milhares de anos, produzindo líquidos de fundição que podem
ser vazados e solidificados para resultar em peças com formas definidas. Embora o
processo de base continue a ser o mesmo, a utilidade de produtos fundidos já
percorreu um longo caminho. O processo que criou ferramentas e diversos produtos
para poucos privilegiados na Idade do Bronze contribui em mais de 90% de produtos
manufaturados em nossa sociedade atual. Desde o início da era industrial, o enorme
progresso dos equipamentos de processo de fusão, a gama de materiais fundidos, a
química e controles térmicos, bem como a complexidade dos produtos acabados
permitiu componentes fundidos na construção de uma grande variedade de produtos
como automóveis, geradores de energia, vagões ferroviários, oleodutos, hardware
militar, instrumentos médicos, entre outros (BCS, 2005).
A eficiência energetica de qualquer processo de fundição em larga escala de
eficiência do processo de fusão necessita de uma operação multi-etapa em que o
metal é aquecido, tratado, ligado, e transportado para uma cavidade de molde para
formar um fundido. O processo de fusão não é somente responsável pelo consumo
de energia e de custo-eficácia da produção de peças fundidas, mas também é
crucial para o controlo de qualidade, a composição e as propriedades físicas e
químicas do produto final (BCS, 2005).
A figura 2.1 exibe dados do custo energético do processo de fundição dos metais.
Figura 2.1- Custo energético do processo de fundição dos metais (Adaptado de BCS, 2005)
18
A fusão do metal é uma fase muito importante no processo de fundição de
metais. Depois da preparação de um molde o metal fundido deve ser vazado para
da origem a uma peça, sendo que para preparação do metal fundido, é necessária a
utilização de fornos de fusão. É importante salientar os diferentes fornos usados nos
processos de fundição e a temperatura de fusão dos metais e ligas, como mostrado
na tabela 2.1 (KARUNAKAR, 2009).
Tabela 2.1- Temperatura de Fusão e Vazamento
Metal ou Liga Temperatura de
Fusão (˚C)
Ordem de Temperatura de Vazamento (˚C)
Aço 1480 1600 - 1720
Níquel 1453 1500 - 1590
Ferro fundido cinzento
1370 1510 - 1590
Liga Cu-Ni 1175 1220 - 1280
Cobre 1083 1130 - 1200
Alumínio 660 700 - 760
Zinco 420 450 - 480
Chumbo 327 350 - 380
Latão 232 280 - 290
Fonte: Karunakar (2009)
Existe diferença entre a temperatura de fusão e temperatura de vazamento. A
temperatura de fusão é a temperatura na qual o metal sólido derrete, mas não é o
suficiente para poder vazar o metal liquido na cavidade do molde, pois a essa
temperatura o metal pode se solidificar em pouco tempo, após ser retirado no forno.
Já que o metal fundido deve ser movido do forno para o vazamento em um molde,
ele deve atingir uma temperatura ideal para o vazamento, onde sua temperatura
deve ser maior que a temperatura de fusão (KARUNAKAR, 2009).
19
2.1.1. Preparação do metal para fusão
O pré-aquecimento ou secagem da sucata ou lingote é comumente praticada
em muitas aplicações de fusão, especialmente aquelas que envolvem ferro ou
alumínio, que reagem com a água quando fundidos. Essa ação oferece vários
benefícios como a remoção de umidade e outras cargas voláteis, evitando o risco de
uma explosão no forno e inibindo a formação de escória formada pela absorção de
hidrogênio quando o alumínio quente entra em contato com a umidade, redução no
ponto de fusão requisitos de energia e aumento da capacidade do forno de fusão. O
pré-aquecimento e remoção de contaminantes são tipicamente realizada por
aquecimento a gás natural. Algumas fundições empregam sistemas que reutilizam
gases de combustão quentes do forno de fusão para pré-tratamento e pré-
aquecimento do material a ser fundido (BCS, 2005).
A energia pode perder-se durante o processo de carregamento quando os
materiais preparados são carregados no forno de fusão. Se fornos intermitentes são
carregados frios, a operação de fusão torna-se ineficiente. Por outro lado, um forno
em operação contínua oferece uma maior eficiência, não requerendo energia
adicional para aquecer o forno, em cada ciclo de fusão. No entanto, o carregamento
de um forno quente requer a abertura da porta do forno ou da tampa, o que permite
que grandes quantidades de calor escapem por radiações (BCS, 2005).
2.1.2. Transporte do metal fundido
Após a fusão, o metal fundido tem de ser transportado a partir do forno de
fusão para o forno de conservação ou as linhas de vazamento. Diferentes tipos de
panelas de fundição são usados para encaminhas o metal fundido para dentro das
cavidades dos moldes. Idealmente, panelas de transferência são pré-aquecidas para
manter a temperatura de vazamento requerido na estação de vazamento. Algumas
operações também praticam sobreaquecimento sobre o material fundido, isto é,
aumentando a temperatura várias centenas de graus acima da temperatura de
vazamento, para conseguir o mesmo resultado. A capacidade de transferência da
panela pode variar de 40 quilos a 35 toneladas, dependendo da capacidade de
produção da fundição. As panelas de transferência consumem energia significativa
20
porque requerem pré-aquecimento do fundido para manter a temperatura de
vazamento desejada. Além disso, a perda substancial de radiação pode ocorrer a
partir do topo e dos lados da panela. Em estudos recentes, pesquisadores notaram
que as perdas de radiação para o aço ocorrem predominantemente a partir dos
lados da panela porque a superficie de escória atua como um isolante natural para a
superfície superior. Esta constatação reforça a necessidade de melhorar material
refratário para panelas de transferência de fundição de aço (BCS, 2005).
2.2. Revestimento Refratário
É fundamental que os dispositivos utilizados para fundir metais sejam
revestidos com materiais refratários, para que sua eficiência não seja prejudicada e
sua carcaça externa não seja danificada devido às elevadas temperaturas que
atuam em suas proximidades ou interior (figura 2.2). A principal função dos materiais
refratários é conter o metal liquido e garantir isolamento refratário (COTTA;
RODRIGUES, 2014).
Figura 2.2- Revestimento refratário (Cotta; Rodrigues, 2014)
A utilização de refratários apresenta uma grande diversidade de aplicações na
indústria, sendo que podem ser empregada em indústrias siderúrgicas, de cimento,
cerâmica, fundição, vidro, química e petroquímica. É importante salientar que a
eficiência do refratário vai depender dos efeitos de suas características nas
condições de seu uso (COTTA; RODRIGUES, 2014).
Os materiais refratários possibilitam sua aplicação em condições de
temperatura elevada (acima de 1580 ˚C) e em atmosfera corrosiva sujeita a
21
interações com metais e escorias, conservando suas propriedades estruturais e
físico-químicas, além de reduzir as perdas térmicas nos dispositivos onde serão
utilizados (COTTA; RODRIGUES, 2014).
É necessário ressaltar a importância da matéria-prima refratária. Sendo que,
as propriedades químicas e físicas essenciais de uma matéria-prima definem as
propriedades finais do produto refratário. A base dos produtos refratários é formada
pelos seguintes óxidos: alumina (Al2O3), magnésia (MgO), sílica (SiO2), zircônia
(ZrO2), cal (CaO), e óxido crômico (Cr2O3) (COTTA; RODRIGUES, 2014).
2.2.1 Propriedades
a) Densidade/Porosidade
Segundo Cotta e Rodrigues (2014), a densidade do material pode afetar
diretamente em outras propriedades, como a condutividade térmica, resistência
mecânica, resistência à corrosão, entre outros. Materiais refratários apresentam
imperfeiçoes, como poros e trincas, o que dificulta a obtenção do volume exato da
peça.
O mesmo autor, ainda, afirma que os refratários com porosidade baixa
apresentam melhor resistência à corrosão, à inclusão de gases, à erosão, ao ataque
químico, escorias e metal líquido.
b) Resistência Mecânica
A integridade física da peça é garantida a partir da medida da resistência à
compressão à temperatura ambiente (RCTA), de maneira que a resistência
mecânica do material viabilize uma operação segura de manuseio e aplicação do
revestimento refratário. A RCTA é fundamental para permitir o transporte desses
materiais, já que, se for baixa, pode desenvolver fraturas durante o transporte.
Refratários que são exigidos o contato direto com cargas erosivas, como em alto-
forno, devem possuir elevada RCTA (COTTA; RODRIGUES, 2014).
22
O mesmo autor, afirma que a resistência à flexão à temperatura ambiente
(RFTA) é a condição que garante a aplicação de refratários sujeito a esforços mais
complexos.
c) Resistência ao Choque Térmico
Os revestimentos refratários podem sofrer sérios problemas devido às
variações de temperatura, como micro e macro fissuramento. Os danos sofridos são
provenientes de um conjunto de fatores que podem ser intrínsecos e/ou extrínsecos.
Os fatores intrínsecos são caracterizados pela composição química, porosidade,
resistência mecânica, espessura do revestimento e dilatação. Já os fatores
extrínsecos são resultantes de ciclo térmico, excesso térmico do revestimento e do
tipo de aquecimento inicial realizado. Sendo assim, a resistência ao choque térmico
é originada a partir das interações entre os defeitos e de como estes evoluem ao
longo do tempo (COTTA; RODRIGUES, 2014).
d) Condutividade Térmica
A condutividade térmica é uma das principais características dos materiais
refratários, sendo que estes tem a função de reter calor durante os processos
metalúrgicos para reduzir as perdas de calor dos sistemas envolvidos (COTTA;
RODRIGUES, 2014).
Condutividade térmica baixa possibilita baixa propagação de calor, ou seja,
alto isolamento, e condutividade térmica elevada gera alta propagação de calor, ou
seja, baixa eficiência em isolamento. Refratários possuem alta porosidade, o que
garante um alto isolamento, já que o ar tem baixa condutividade térmica. Por
conseguinte, a alta condutividade característica dos materiais refratários é
minimizada devido à baixa condutividade do ar contido nos seus poros (COTTA;
RODRIGUES, 2014).
23
2.2.2. Tipos de Refratários
Segunda a United Nations Environment Programme (UNEP, 2006), os
refratários podem ser classificados com base na sua composição química, como
mostrado na tabela 2.2.
Tabela 2.2- Classificação de refratários baseado na composição química
Composição química Exemplos
Ácido Sílica, semi sílica, alumino silicatos
Básico Magnesita, cromo-magnesita, magnesita-cromita
Neutro Alumina, crômio, argila refratária
Fonte: UNEP (2006)
a) Refratário Silicioso
O Tijolo refratário é a forma mais conhecida de material refratário, sendo
amplamente utilizada na siderurgia, metalurgia de não ferrosos, indústria de vidro,
fornos de cerâmica, indústria de cimento, entre outros.
Refratários siliciosos, tais como tijolos refratários, argilas refratárias e
aluminosas constituem-se de silicatos de alumínio com variação de sílica (SiO2),
contendo até 78%, e óxido de alumínio (Al2O3), também chamado de alumina, em
até 44%. O ponto de fusão de tijolos refratários diminui com o aumento de
impurezas e diminuição de Al2O3. Este material é frequentemente utilizado em fornos
e estufas, devido sua ampla disponibilidade e baixo custo (UNEP, 2006).
b) Refratário de Alumina
Refratários de alumina que consistem em óxido de alumínio com pequenos
vestígios de impurezas são conhecidos como alumina pura. A alumina é um dos
óxidos mais quimicamente estáveis conhecidos. Ela é insolúvel em água, suporta
mecanicamente ao vapor superaquecido, e a maioria dos ácidos inorgânicos e
alcalinos. As suas propriedades o tornam adequado para a composição de cadinhos,
24
devido sua resistência elevada em atmosfera oxidante e redutora. A alumina é
amplamente utilizada em indústrias de processamento de calor, sendo utilizada em
construção de fornos de funcionamento de até 1850˚C (UNEP, 2006).
c) Refratário de Alta Alumina
Refratários de silicato de alumínio que possuem, em sua composição, mais
de 45% de alumina são geralmente classificados como materiais de alta alumina. A
concentração de alumina varia entre 45% e 100%. A refratariedade dos refratários
de alta alumina se eleva com o aumento da percentagem de alumina. As aplicações
desse tipo de refratário incluem eixo de altos-fornos, fornos de cerâmica, fornos de
cimento, tanques de vidro e cadinhos para fusão de diversos metais (UNEP, 2006).
d) Refratário de Sílica
É considerado um refratário de sílica, o refratário que contém no mínimo 93%
de SiO2. Esse tipo de material tem uma utilização considerável na construção de
fornos de fusão de ferro e aço, e na indústria do vidro. Além de alto ponto de fusão,
existem outras propriedades importantes, como a sua alta resistência ao choque
térmico e sua alta refratariedade. Outra propriedade notável é que os refratários de
sílica não amolecem sob altas cargas até seu ponto de fusão ser atingido. Este
comportamento diverge com o de muitos outros refratários, como materiais de
silicato de alumina, que começam a fundir e arrastar temperaturas
consideravelmente mais baixas do que os seus pontos de fusão (UNEP, 2006).
e) Refratário de Magnesita
Refratários de magnesita são materiais básicos, contendo óxido de magnésio
(MgO) com pelo menos 85% em sua composição. As propriedades desse refratário
dependem da concentração de silicato em sua ligação. A boa qualidade da
magnesita geralmente resulta de uma proporção de CaO-SiO2 com uma
concentração mínima de ferrita. Sendo geralmente utilizados em fornos que o
refratário recebe ação de oxidantes e opera em condições de redução, sendo que
25
sua resistência à escória é muito alta principalmente para escórias ricas em ferro
(UNEP, 2006).
f) Refratário de Zircônio
É essencial estabilizar o dióxido de zircónio (ZrO2) antes de utiliza-lo como
refratário, o que é permitido após a inclusão de pequenas quantidades de cálcio,
magnésio e óxido de cério. As suas propriedades dependem principalmente do seu
grau de estabilização e da qualidade da matéria-prima original. Refratários de
zircônio têm elevada resistência à temperatura ambiente e pode ser mantido em
temperaturas elevadas, como acima de 1500˚C. Eles são úteis para materiais de
construção de alta temperatura em fornos e estufas. A condutividade térmica de
dióxido de zircónio é muito menor do que a maioria dos outros refratários e, portanto,
o material é utilizado como um refratário isolante de alta temperatura. O zircônio
demonstra baixas perdas térmicas e não reage facilmente com metais líquidos,
sendo assim, ele é ideal para fazer cadinhos refratários e outros recipientes para fins
metalúrgicos (UNEP, 2006).
2.3. Fornos
Existem inúmeros tipos de equipamentos ou fornos construídos para a fusão
dos metais e preparo das ligas. Alguns se prestam praticamente à fusão de qualquer
liga, enquanto outros são mais indicados para um metal ou liga determinado
(CHIAVERINI, vol.2, 1986).
Um forno de fusão deriva seu calor a partir de combustíveis sólidos (carvão
coque), gás natural, eletricidade, ou outras fontes de energia. Fornos variam em
design e geometria de acordo com a capacidade de produção. Outros fatores
relacionados à fonte de energia também afetam o design do forno que incluem a
forma como a energia é transferida para o material fundido, como os gases de
combustão são removidos, o refino e tratamento. A temperatura de funcionamento
necessária na fornalha de fusão depende da temperatura de vazamento do material
a ser fundido. Elas podem variar desde 350 °C para as ligas de zinco a 1700 °C para
os aços de liga (BCS, 2005).
26
A utilização dos fornos de fundição é essencial na indústria siderúrgica, que é
o setor básico de produção de aço e ferro fundido, a partir do minério de ferro. O
Brasil é o 9º maior produtor de aço no mundo, o que o coloca em uma posição
estratégica no cenário mundial. Em 2012, foram produzidos cerca de 34,5 milhões
de toneladas de aço, e o setor foi responsável por 4% do PIB (Produto Interno Bruto)
do país. Ainda, o parque produtor de aço está instalado em dez estados. Entre eles,
destacam-se os da Região Sudeste (Espírito Santo, Minas Gerais, Rio de Janeiro e
São Paulo), que respondem por 94% do aço produzido no país. O Brasil tem o maior
parque industrial de aço da América do Sul, composto por 29 usinas, sendo o maior
produtor da América Latina e ocupando o 7º lugar como exportador de aço.
Entretanto, o parque brasileiro é relativamente novo e passa por um processo de
atualização tecnológica constante (PWMBRASIL, 2012).
Portanto, é perceptível a necessidade de equipamentos que possam suprir a
demanda industrial, possibilitando uma produção em alta escala e de boa qualidade.
Os principais equipamentos para fusão de metais nos processos de fundição são o
forno elétrico de indução, o forno elétrico a arco, o forno a cadinho o forno cubilot e o
alto-forno. Sendo que cada um destes tem uma função específica, que depende do
nível de produção e do controle metalúrgico do processo.
2.3.1. Fornos Elétricos
a) Forno elétrico a arco
O forno a arco elétrico consiste numa carcaça cilíndrica de aço, com sua parte
inferior, chamada de soleira, constituída por um revestimento refratário de
característica básica ou acida. A parte superior do forno, chamada de abóbada, e as
laterais são revestidas de tijolos refratários tipo silicioso. Na figura 2.3 é possível
observar o formato e os componentes de um forno elétrico a arco (CHIAVERINI,
vol.2, 1986).
27
Figura 2.3- Forno elétrico a arco (Chiaverini, vol.2,1986)
Seu sistema de aquecimento é composto por três eletrodos, igualmente
espaçados, com cada um deles ligado a uma fase de um suprimento trifásico de
eletricidade. O efeito de aquecimento é produzido por arcos que se formam, durante
a passagem de corrente, entre os três eletrodos que geralmente são de carbono ou
de grafita, sendo que estes materiais são ideais para esse tipo de processo, por
possuírem elevada resistência elétrica. As condições de fusão são controladas pela
variação de voltagem aplicada, que vão à faixa de 90 a 500 volts, e pelo ajuste
automático da posição ou altura dos eletrodos (CHIAVERINI, vol.2, 1986).
Oliveira (2013) afirma que, o arco elétrico nada mais é que uma coluna de
potência radiante, com flexibilidade física, cujos diâmetros e comprimentos são
fixados pelos parâmetros elétricos da alimentação ditados pelo mecanismo
regulador dos eletrodos e pela natureza dos materiais envolvidos. Na figura 2.4 é
possível notar a formação do arco elétrico dentro do forno.
Figura 2.4- Iniciação do arco elétrico (Karunakar, 2009)
28
Os fornos elétricos a arco são dimensionados em termos do diâmetro da
carcaça, sendo que isso determina a capacidade em toneladas do metal líquido do
forno, onde um forno com diâmetro de 3,35 metros tem uma capacidade de 22 a 26
toneladas de sucata, por exemplo. A produção por hora depende da energia
disponível, em média, a produção de 1 t/h exige cerca de 1000 kVA de capacidade
de transformador (CHIAVERINI, vol.2, 1986). A tabela 2.3 mostra as vantagens e
limitações proporcionadas pelo forno elétrico a arco.
Tabela 2.3- Vantagens e limitações do forno elétrico a arco
Vantagens Limitações
Precisão no controle da composição Alto consumo energético
Controle de temperatura Alto custo de instalação
Boa eficiência térmica Oxidação do metal fundido (em caso de controle inadequado)
Fusão em curta duração A ocorrência de carburação, devido ao material do eletrodo, aumenta o teor de carbono do metal fundido
Elevada qualidade do metal fundido
Funde qualquer tipo de sucata
Fonte: Karunakar (2009)
b) Forno a indução
O forno elétrico a indução se destaca em requisitos de controle metalúrgico e
escala de produção, porém, é o equipamento mais caro em termos de custo por
tonelada fundida. Pode ser adquirido em grandes unidades que elevam bastante sua
capacidade de produção. Grandes corporações de fundição como a METSO em
Sorocaba-SP, a FIAT em Betim-MG, entre outras tantas, utilizam-se exclusivamente
deste equipamento para produzir suas ligas fundidas (OLIVEIRA, 2013).
O funcionamento dos fornos de indução baseia-se na indução
eletromagnética, em que um condutor elétrico submetido a um fluxo magnético
variável produz uma força eletromotriz (fem) tanto quanto maior for à variação ΔΦ do
fluxo, como mostra a figura 2.5. Para que a variação do fluxo no tempo seja grande,
é preciso que o fluxo magnético Φ seja elevado e que o tempo de variação Δt seja
pequeno (OLIVEIRA, 2013).
29
Figura 2.5- Princípio de funcionamento do forno a indução (Karunakar, 2009)
A força eletromotriz é expressa pela equação 2.1.
O forno a indução é muito usado para fusão de materiais condutores, que
produzem grande elevação de temperatura, devido as correntes que são induzidas
em sua massa. Se os materiais forem magnéticos, haverá também o fenômeno da
histerese magnética que contribui para o aumento de temperatura. O forno consiste
basicamente num transformador com o próprio forno sendo o secundário do
transformador, constituído apenas por uma espira. Além disso, o enrolamento
primário é constituído por uma bobina de tubos de cobre resfriado a água, colocada
no interior da carcaça do forno e sua câmara de aquecimento é um cadinho
refratário ou um revestimento refratário instalado em seu interior (OLIVEIRA, 2013).
Na figura 2.6 é possível verificar o conjunto de elementos do forno a indução.
Figura 2.6- Forno a indução (Adaptado de BCS, 2005)
30
Ainda, Oliveira (2013) afirma que o forno a indução pode ser acoplado a um
mecanismo de fusão a vácuo, sendo um sistema altamente eficiente no processo de
desgaseificação, que é o processo de retirada das proporções de hidrogênio e de
outros gases presentes durante a fusão do metal, sendo assim, a fusão a vácuo é o
melhor sistema para eliminação de impurezas gasosas, o que garante uma melhoria
nas propriedades finais dos metais. A fusão a vácuo é essencial para fundir metais e
ligas altamente reativas com oxigênio e outros gases, como o uranio e o titânio por
exemplo.
A figura 2.7 mostra o sistema de forno à indução acoplado a um sistema de
depuração a vácuo e na tabela 2.4 é descrito as vantagens e limitações do forno a
indução.
.
Figura 2.7- Forno a indução acoplado a um sistema a vácuo (Oliveira, 2013)
Tabela 2.4- Vantagens e limitações do forno a indução
Vantagens Limitações
Baixa oxidação Alto custo do forno e dos seus equipamentos auxiliares
Área de contato do metal com escória relativamente baixa
Não recomendado para grande quantidade de metal
Sem carburação durante a fusão –
Agitação magnética produz excelente uniformidade da composição de fusão
–
Fusão em curto intervalo de tempo –
Fonte: Karunakar (2009)
31
2.3.2. Fornos a Combustão
a) Alto-Forno
O alto-forno é o principal equipamento utilizado na metalurgia do ferro, sendo
utilizado principalmente para produção de ferro gusa, que consiste na redução de
óxidos do minério de ferro, a partir do carvão, que é um material à base de carbono
que atua como combustível e supridor de carbono as ligas ferro-carbono de alto
carbono, sendo essas os principais produtos do alto-forno (CHIAVERINI, vol.3,
1986).
A figura 2.8 mostra a seção transversal de um alto-forno, que possui estrutura
cilíndrica de grande altura, possuindo três partes essenciais para o seu
funcionamento: o cadinho, rampa e cuba. O cadinho é a parte do forno onde se
acumula o metal fundido e a escória, que resultam das reações sofridas em seu
interior. O diâmetro do cadinho, dependendo da capacidade do forno, pode ser
superior a 10m e sua altura, a partir do cadinho, pode ser superior a 4m. A rampa
possui formato de tronco de cone, com altura que pode superar os 4m. A inclinação
da rampa é na faixa de 80 a 82 graus em relação a horizontal. A cuba, também
possui forma de tronco de cone, com altura, a partir da rampa, que pode superar os
25m. Sendo assim, a altura do alto-forno, compreendendo essas três estruturas,
pode superar os 30m (CHIAVERINI, vol.3, 1986).
Figura 2.8- Seção transversal de um alto-forno (Isenmann, 2008)
32
Na parte inferior do forno, chamada de zona de fusão, a parte mais quente do
forno, ocorre uma redução direta do ferro, pois partes do minério de ferro se
liquefazem e entram em contato com o coque que funciona como redutor, a
penetração do carbono no ferro faz com que o ponto de fusão se reduza de 1539 ˚C
para uma faixa entre 1100 e 1200 ˚C. A equação 2.2 é a simplificação de todos os
processos que acontecem no alto-forno, sendo que os ingredientes principais são
minério e coque e os produtos principais são ferro e gás carbônico.
(2.2)
Grande parte do calor produzido é gasto para fundir o material, produzindo
ferro-gusa liquido e escoria liquida. O material líquido goteja através do coque em
brasa e acumula-se no cadinho. Como a densidade da escória resultante é inferior à
do ferro gusa, então ela funciona como camada protetora para o metal fundido,
sendo assim, não há o risco de reoxidarão do produto metálico. A escória, produzida
em toneladas aproximadamente iguais ao do ferro gusa, é um material de baixo
valor agregado, sendo que sua baixa densidade e estrutura irregular permite que
seja reaproveitada para o uso em construções leves de concreto. For fim, o
resultado do processo em alto-forno é um ferro rico em carbono, na faixa entre 2,5 e
4% de C, que não pode ser soldado nem forjado. Posteriormente a esse processo, o
teor de C, no ferro gusa, deve ser reduzido abaixo de 1,7% para que ele possa ser
utilizado na produção do aço (ISENMANN, 2008).
b) Forno Cubilot
Quando não há capacidade elétrica disponível para operar uma fundição,
pode-se recorrer ao forno cubilot. Sendo que, quando operado com ar quente é
possível atingir altas taxas de produção e razoável controle metalúrgico. Atualmente,
existe uma grande tendência de substituição destes fornos, pelos fornos elétricos.
Esta tendência se confirma principalmente pelas restrições ao uso do carvão coque
com elevado percentual de enxofre. Este é de fato o grande inconveniente do forno
cubilot, utiliza-se de apenas o coque como combustível. Contudo, é um equipamento
ainda bastante usado em pequenas e medias fundições (OLIVEIRA, 2013).
O forno cubilot é construído, como mostra a figura 2.9, por uma carcaça
cilíndrica vertical de aço, revestida internamente com tijolos de material refratário.
Seu diâmetro interno pode chegar em torno de 1,8m e sua altura pode superar os
33
15m. Sua capacidade de fusão varia de 1 t/h até cerca de 50 t/h. A carga é
composta de metal, combustível (coque) e substância fundente, que separa as
impurezas do metal e do carvão formando escória, normalmente utiliza-se calcário. A
carga metálica é constituída de sucata em geral e ferro gusa (CHIAVERINI, vol.3,
1986).
Figura 2.9- Forno Cubilot (Chiaverini, vol.2, 1986)
O forno cubilot é ideal para a fusão de ferro fundido, pois as gotas de metal
fundido ligam-se diretamente com o coque criando um fluxo durante a descida,
saturando o ferro liquido com carbono e refinando o metal produzido (BCS, 2005).
O cubilot contribui pouco na refinação do metal. A composição final do metal
fundido é em função da carga inicial. As proporções dos metais colocados no forno
devem ser calculadas a fim de assegurar um produto uniforme e previsível. Esses
cálculos são baseados no conhecimento das quantidades de carbono, silício,
manganês, fosforo e enxofre no ferro gusa, na sucata e na natureza das reações
que tem lugar no cubilot (OLIVEIRA, 2013).
O cubilot não produz um material de grande uniformidade, em ralação a
composição química. Ainda, é difícil manter o controle metalúrgico, sendo que, esse
tipo de forno é, normalmente, utilizado para fundir peças que resultem em menor
qualidade superficial (OLIVEIRA, 2013).
34
A tabela 2.5 indica as vantagens e limitações do forno cubilot.
Tabela 2.5- Vantagem e limitações do forno cubilot
Vantagens Limitações
Baixo custo operacional Baixo controle da temperatura
Simples de operar A composição de ferro é afetada pela captação de carbono e enxofre durante a fusão
Alta taxa de fusão Difícil controle da composição química
Operação contínua Poluição ambiental
Fonte: Karunakar
2.4. Forno Cadinho
Fornos cadinho são utilizados em pequenos empreendimentos, como fabricas
de pequeno porte e laboratórios destinados a fundir ligas de baixo ponto de fusão.
Esse tipo de forno é, normalmente, aplicado em fundições de ligas não ferrosas, tais
como chumbo, alumínio, bronze, etc. São caracterizados por uma forma cilíndrica,
com revestimento externo feito com chapas metálicas e sua parte interna revestida
por tijolos refratários. Eles são bastante utilizados em pequenos empreendimentos
devido a sua versatilidade em termos de produtividade, que varia apenas com a
mudança do tamanho do cadinho. Outra característica do forno cadinho é a sua
versatilidade no uso de combustíveis, que podem ser óleo queimado, gás liquefeito e
óleo diesel (OLIVEIRA, 2013).
O forno cadinho de fusão é o método mais barato para a fusão de pequenos
volumes de metais. Além disso, não há nenhum choque direto da chama sobre o
metal, e a perda de calor para o lado de fora é limitado pela espessura das paredes
(BCS, 2005).
Os fornos podem ser do tipo fixo, onde após a fusão do metal, o cadinho é
retirado para vazamento do metal liquido, ou podem ser basculantes, onde o
cadinho é fixo na carcaça, a qual possui um bico de vazamento, que vaza o metal
liquido basculhando-se o conjunto, como mostrado na figura 2.10 (CHIAVERINI,
vol.2, 1986).
35
Figura 2.10- Fornos a cadinho (Oliveira, 2013)
O interior desses fornos deve ser perfeitamente circular para proporcionar
uma distribuição uniforme de calor. No seu interior localiza-se o cadinho,
normalmente feito em grafite ou carbeto de silício, no qual será depositado o
material a ser fundido. A figura 2.11 mostra o esquema adotado para garantir uma
chama de combustão eficiente no interior do forno, onde existe uma orientação
tangencial e um ângulo de ataque do queimador aos tijolos refratários circulares
(OLIVEIRA, 2013).
Figura 2.11- Esquema de orientação da chama no forno a cadinho (Oliveira, 2013)
Os fornos a cadinho fixo são mais comuns em pequenas indústrias e em
laboratórios de pesquisa, devido ao baixo custo de construção. Porém, diferente dos
fornos basculantes, quando o material estiver fundido e em temperatura de
vazamento, o cadinho deve ser retirado do forno com o auxilio de uma ferramenta
especial, chamada de tenaz, conforme mostra a figura 2.12.
36
Figura 2.12- Esquema de retirada do cadinho (Oliveira, 2013)
No centro da base interna do forno deve existir um pedestal para assentar o
cadinho para lhe dar apoio durante o momento da fusão. Os tijolos refratários devem
ser ajustados no formato circular, para que não criem rachaduras ou irregularidades
na parte interna, sendo que podem provocar perda de calor e chama desigual em
pontos do cadinho, o que pode causar danos em sua estrutura. Sendo assim, o
queimador deve ser montado de forma que sua linha de centro coincida com a meia
distância entre a parede do forno e a parede do cadinho e inclinado para cima mais
ou menos 5˚ (OLIVEIRA, 2013).
A distância entre a parede externa do cadinho e a parede interna do forno
deve ser de no mínimo 70 mm, de acordo com a capacidade do cadinho. A linha
central da chama do queimador deve estar sempre no mínimo 50 mm abaixo da
linha do fundo do cadinho e a altura da base, onde fica o cadinho, não deve ser
menor que 160 mm. O queimador deve estar posicionado de forma que a chama
seja inserida tangencialmente entre a parede da base e o revestimento do forno
formando uma espiral ascendente que englobe todo o cadinho (SOCIESC, 2008).
A tabela 2.6 faz uma comparação entre todos os fornos citados.
Tabela 2.6- Comparação entre os fornos
Forno Modo de fusão Aplicação
Forno cadinho Óleo, gás ou mistura de ambos
Ligas de baixo ponto de fusão
Forno cubilot Coque, óleo Ferro fundido, aço
Forno elétrico a arco Arco elétrico induzido por corrente elétrica
Aço, ligas ferrosas e não ferrosas
Forno a indução Indução eletromagnética Aço, ligas ferrosas e não ferrosas
Alto forno Coque, óleo Produção de ferro gusa
Fonte: Karunakar (2009)
37
2.4.1. Os cadinhos
O cadinho tem como finalidade armazenar o metal a ser fundido e mantê-lo
em fusão através da transmissão de calor externo a ele para a carga metálica.
Quanto mais eficiente for esta transmissão de calor melhor será cumprida a
finalidade do cadinho, ou seja, quanto melhor e mais eficiente for o forno que o
contém, melhor será o trabalho da fusão. É importante salientar que a exposição
direta do metal, que será fundido, à chama do queimador produz perdas grandes por
oxidação do metal. O cadinho exerce a transferência de calor por condução e
irradiação. A figura 2.13 ilustra alguns tipos de cadinho utilizados em fundições
(SOCIESC, 2008).
Figura 2.13- Cadinhos para fundição (SOCIESC, 2008)
a) Propriedades dos cadinhos
As propriedades necessárias para que o cadinho funcione da melhor forma
possível são as seguintes:
– Boa condutibilidade térmica, que garante eficiência na transmissão de calor.
– Refratariedade, que garante a resistência a altas temperaturas sem alterar suas
características.
– Resistência ao choque térmico, para que o cadinho suporte as contínuas
operações de aquecimento e resfriamentos que ocorrem nos processos de fundição.
–Resistência à oxidação, para reduzir o grau de oxidação dos componentes
existentes na estrutura do cadinho.
– Resistência química, para que o cadinho suporte o ataque químico promovido pela
escoria e pelos fluxos utilizados no processo.
38
– Resistência mecânica, para que o cadinho suporte golpes mecânicos ou um
possível manuseio inadequado durante o processo.
b) Tipos de cadinhos
O cadinho é caracterizado a partir da sua composição. Sendo que, existem
três composições básicas que os define como indicado na tabela 2.7.
Tabela 2.7- Tipos e composições dos cadinhos
Tipos Composição típica
Grafite-argila (GA) 35% de Grafite
Grafite ligado com Carbono (GF) 35% de Grafite, 12% de Carbeto de Silício
Carbeto de Silício ligado com Carbono (SiC)
30% de Grafite, 45% de Carbeto de Silício
Fonte: SOCIESC (2008)
O cadinho de Carbeto de Silício (SiC) é o cadinho mais recentemente
desenvolvido nos últimos anos. O SiC é um material sintético que da propriedades
muito importantes ao cadinho, sendo que sua utilização promove maior
condutibilidade térmica, resistência química e ao choque térmico e à oxidação
(SOCIESC, 2008).
O cadinho de Grafite ligado a Carbono (GF) possui carbeto de silício, mas em
pouca quantidade, com maior predominância do grafite em sua composição. A
principal vantagem desse cadinho é a capacidade de trabalhar com ferro fundido
(SOCIESC, 2008).
O cadinho de Gafrite-Argila (GA) caracteriza-se por possuir uma estrutura
cerâmica em sua composição, sendo que sua principal vantagem é a presença de
uma resistência mecânica, porém não possui boa condutibilidade térmica.
Cadinhos de Grafite-Argila são mais suscetíveis à oxidação quando operados
em fornos elétricos devido à atmosfera oxidante, principalmente na temperatura de
fusão e de manutenção de alumínio. Para ligas de alto ponto de fusão é
recomendado o uso de cadinhos de grafite ligado carbono (SOCIESC, 2008).
39
A tabela 2.8 informa a qualidade dos cadinhos diante das propriedades
necessárias para uma boa eficiência no momento da fundição e a tabela 2.9 mostra
a aplicação dos cadinhos de acordo com as formas de energia utilizadas para fundir
o metal.
Tabela 2.8- Propriedades típicas dos cadinhos de acordo com o material
Propriedades Grafite-Argila
Grafite ligado a Carbono
Carbeto de Silício ligado a Carbono
Transferência de calor Boa Boa Excelente
Refratariedade Muito boa Boa Boa
Resistência a choque térmico
Boa Boa Excelente
Resistência à oxidação Regular Boa Excelente
Resistência ao ataque de fluxo e escoria
Regular Boa Boa
Resistência à erosão metálica
Regular Boa Excelente
Desempenho médio – – –
Fusão de ligas de Al Boa Boa Excelente
Manutenção de ligas de Al Regular Regular Excelente
Fusão de ligas de Cu Boa Boa Excelente
Fusão de Ferro Boa Boa Não recomendado
Fonte: SOCIESC (2008)
Tabela 2.9- Aplicação dos cadinhos de acordo com as formas de energia
Combustível Ordem de preferencia de cadinho
Carvão, óleo ou gás SiC, GF, GA
Elétrico a resistência SiC
Elétrico a indução GA
Fonte: SOCIESC (2008)
2.4.2. Tenaz
A tenaz é uma ferramenta apropriada para o manuseio de cadinhos. Ela deve
prender o cadinho no terço inferior, sendo que suas garras devem se adaptar
perfeitamente à sua circunferência. Os arcos da tenaz devem ser curvados de tal
40
forma que não entrem em contato com as bordas do cadinho, como mostra a figura
2.14.
As tenazes devem ser adequadas a cada tipo de cadinho, pois a utilização da
tenaz incorreta pode causar quebras em cadinhos que são retirados dos fornos para
vazamento. Os danos mais comuns causados por tenazes mal ajustadas são trincas
a partir da borda superior, acompanhada de ovalização, quando isso ocorre é
possível observar a marca deixada por ela.
As tenazes também são usadas no manejo de cadinhos vazios. Estas nunca
devem pegar o cadinho junto a borda, pois poderá resultar em quebras,
especialmente se as paredes já estiverem desgastadas (SOCIESC, 2008).
Figura 2.14- Posicionamento da tenaz (SOCIESC, 2008)
2.4.3. Fluxos
A utilização de fluxos é essencial para o tratamento de escoria,
desgaseificação, modificação da microestrutura e refino do metal no processo de
fusão. No entanto, eles devem ser usados com bastante cuidado, pois eles induzem
ataque químico no cadinho. Sendo assim, os fluxos devem ser aplicados em
proporções adequadas para que não prejudique a vida útil do cadinho. Devido a
essas circunstâncias, os fluxos devem ser adicionados à corrida o mais tarde
possível, naturalmente em uma etapa que não seja prejudicial à boa qualidade do
metal (SOCIESC, 2008).
41
Fluxos de modificação são particularmente agressivos aos cadinhos, pois
penetram nas paredes, causando expansão com múltiplas trincas. Também, em
temperaturas muito mais altas, o fluxo combina com o verniz do cadinho, reduzindo
consideravelmente seu ponto de fusão tomando-o muito líquido. Nesta etapa ocorre
uma erosão externa muito rápida. A penetração de fluxo também toma o cadinho
mecanicamente mais fraco. Os fluxos de limpeza colocados nos cadinhos antes da
carga fundem bem antes do metal o que pode causar erosão interna da base e das
paredes inferiores do cadinho. Para diminuir ao máximo esta erosão interna, deve
ser usado um fluxo na forma de pó e pulverizado por cima da carga quando esta
começar a derreter. Na figura 2.15 é possível notar os danos que podem ser
causados pelo uso excessivo de fluxo (SOCIESC, 2008).
Figura 2.15- Danos causados pelo uso excessivo de fluxo (SOCIESC, 2008)
2.4.4. Queimadores
O queimador é um dispositivo que tem a finalidade de processar a queima de
uma mistura, entre ar e combustível, numa câmara de combustão. Sendo que esse
combustível pode ser líquido, sólido ou gasoso, onde só ocorrerá uma boa
combustão se forem atendidas condições adequadas (VLASSOV, 2001).
Sua função é fazer com que o oxidante e o combustível fiquem juntos o
tempo necessário e com uma temperatura adequada para promover a reação de
combustão, sendo que a maioria das reações de combustão acontece na fase
gasosa. O contato eficiente depende do tempo, da temperatura e da turbulência
(BIZZO, 2008).
42
a) Queimadores operados com combustíveis gasosos
Existem dois tipos básicos de queimadores a gás, e são classificados de
acordo como é feita a mistura entre o oxidante e o combustível. Eles são aspirantes
ou de queima direta.
Nos queimadores aspirantes, a maior parte do ar de combustão é aspirado
pela expansão do gás combustível em um venturi, onde é misturado o ar e o gás
combustível. O ar primário, que pode ser compreendido como o ar que entra em
contato com o combustível, é função, portanto, da vazão de gás combustível. São
queimadores de chama curta, baixa capacidade e baixa razão de redução de
queima que é uma medida da flexibilidade de variação de cargas do queimador. É
definido como sendo a razão entre a liberação máxima e mínima de calor. São
indicados quando é necessária uma distribuição de calor mais homogênea em
diferentes condições de tiragem e nos quais seria complicado o ajuste cada vez que
virasse a carga (GARCIA, 2002).
A figura 2.16 ilustra um queimador a gás do tipo aspirante.
Figura 2.16- Esquema de um queimador a gás do tipo aspirante (Garcia, 2002)
Em queimadores de queima direta o gás é injetado puro, diretamente na zona
de combustão, através de bicos injetores com orifícios de pequeno diâmetro. Estes
queimadores apresentam baixo nível de ruído, chamas longas e elevada razão de
redução de queima, além da necessidade de ajustes frequentes, já que a vazão de
ar é em função da tiragem, que é o processo de alimentação e retirada dos gases de
combustão (DANTAS, 2010).
A figura 2.17 ilustra o queimador a gás do tipo queima direta
43
Figura 2.17- Queimador a gás do tipo queima direta (Garcia, 2002)
b) Queimadores operados com combustíveis líquidos
Os queimadores com combustíveis líquidos são semelhantes à queimadores
com combustíveis gasosos, pois a queima acontece na fase de vapor. Quando se
utiliza atomização para gerar a combustão, esse tipo de queimador pode apresentar
processos bem distintos, tais como: atomização mecânica, atomização com vapor e
atomização com ar (DANTAS, 2010).
Os queimadores de atomização mecânica são aqueles que usam a energia
de pressão para converter o líquido em pequenas gotículas, forçando-o através de
dispositivos estáticos ou com a ajuda de corpos rotativos de alta velocidade de giro
que provocam o cisalhamento do combustível líquido. De um modo geral, quanto
maior a velocidade relativa entre líquido e ar, menor deve ser o tamanho médio das
gotas. Os queimadores de atomização com vapor usam vapor d´água como fluido de
atomização. Nestes queimadores o combustível líquido é dividido em vários jatos
passando-o por orifícios distribuidores. Estes jatos são, em seguida, atingidos por
um fluxo de vapor a 90º que provoca o cisalhamento do fluido em partículas
diminutas. Os queimadores de atomização com ar usam ar comprimido, a pressões
baixas e moderadas, como fluido atomizador do combustível líquido, que transfere
quantidade de movimento ao líquido que está sendo atomizado (DANTAS, 2010).
A figura 2.18 ilustra um bocal atomizador com fluxo auxiliar.
44
Figura 2.18- Bocal atomizador com fluxo auxiliar (Bizzo, 2008)
c) Queimadores de óleo e queimadores combinados
Os queimadores de óleo, simples ou combinados com gás, para serem bem
definidos devem ser classificados ou descritos quanto ao tipo de nebulização do
óleo, tipo de triagem ou posição relativa na fornalha (MONTEIRO JUNIOR, 2008).
Em relação à tiragem, os queimadores podem ser caracterizados como:
– De tiragem natural
– De tiragem forçada
Em relação à posição, os queimadores podem ser:
– Verticais
– Horizontais
– Inclinados
– Tangenciais
Em relação à nebulização do combustível liquido, são classificados em:
– De nebulização mecânica
– De nebulização com vapor
– De nebulização com ar
Os queimadores de nebulização mecânica são aqueles que usam a energia
de pressão para transformar óleo em pequenas gotículas, forçando-o através de
dispositivos estáticos ou com a ajuda de corpos rotativos de alta velocidade de giro
que provocam o cisalhamento do óleo que flui pelas suas bordas. Estes
queimadores são bastante utilizados nas indústrias de cimento e cal, nos fornos
rotativos que trabalham com apenas um queimador por forno (MONTEIRO JUNIOR,
2008).
A nebulização é o principal problema na operação dos queimadores de
combustíveis líquidos. O autor ainda afirma que na prática, considera-se uma
45
nebulização adequada quando 1cm3 de óleo é transformado em cerca de 10 milhões
de gotículas. A ignição do óleo, o tempo de combustão, a velocidade de propagação
da chama e, consequentemente, a estabilidade da chama são dependentes do grau
de nebulização (MONTEIRO JUNIOR, 2008).
Os queimadores com nebulização de óleo a vapor usam vapor d’água, a
media pressão, como fluido de nebulização. Nesses queimadores o óleo é dividido
em vários jatos passando-o por orifícios distribuidores. Sendo que, a mistura pode
ser do tipo externa, em que a mistura óleo-vapor se dá fora do maçarico, como
mostra a figura 2.19, ou pode ser do tipo interna, em que a mistura óleo-vapor se dá
dentro do maçarico, como mostrado na figura 2.20 (MONTEIRO JUNIOR, 2008).
Figura 2.19- Nebulização de óleo do tipo externa (Garcia, 2002)
Figura 2.20- Nebulização de óleo por mistura interna (Garcia, 2002)
Os queimadores de nebulização a ar usam ar comprimido, de pressões
baixas a moderadas, como fluido nebulizante do óleo combustível. Geralmente são
queimadores de pequeno porte e utilizados em instalações que não tenham suportes
46
operacionais qualificados. Por exemplo, em pequenas caldeiras tubulares de hotéis,
hospitais ou pequenas indústrias (MONTEIRO JUNIOR, 2008).
d) Queimadores multicombustiveis
O uso de queimadores multicombustíveis permite a queima de gás e óleo são
muito utilizados em refinarias e petroquímicas. Estes queimadores, em virtude da
necessidade de criar uma zona de alta temperatura, possuem um bloco refratário, ao
redor da entrada de óleo combustível, chamado de bloco primário. O bloco refratário
secundário tem como função promover a mistura do ar secundário com o gás e
conformar adequadamente o envelope da chama, seja ela resultante da combustão
de gás ou de óleo. Este tipo de queimador pode possuir controles independentes
para o ar primário e para o ar secundário. Quando queimar apenas o óleo, os
controles de ar secundário devem ficar fechados. Quando operando com gás, o
registro de ar secundário deverá permanecer aberto (MONTEIRO JUNIOR, 2008).
Dantas (2010) afirma que esses queimadores devem trabalhar apenas com
um combustível de cada vez. Entretanto, dependendo da operação em que eles
estejam submetidos, operam com queima simultânea dos dois combustíveis.
A figura 2.21 ilustra os principais componentes de um queimador
multicombustivel.
Figura 2.21- Principais componentes do queimador multicombustivel (Garcia, 2002)
,
47
3. MATERIAIS E MÉTODOS
Nessa seção, são esclarecidas as metodologias realizadas para construir um
forno a cadinho fixo de baixo custo, que tem a finalidade de atuar como câmara de
combustão para um queimador e, assim, promover a fusão de metais não ferrosos.
Ainda, são descritos os métodos de desenvolvimento de outros dispositivos que
também fazem parte do sistema de fundição em forno a cadinho fixo, como a base
onde é fixado o forno, o cadinho, onde serão depositados os metais que serão
fundidos, as ferramentas de auxilio, e a tampa refratária que veda a superfície do
forno. Além disso, são relatadas, também, as montagens de cada componente do
forno até o termino do projeto e como foi feita a avaliação das condições de
temperatura alcançada no costado do forno, assim como a temperatura máxima em
seu interior durante a fusão do metal.
As dimensões do forno construído, sua montagem com o queimador a gás e o
posicionamento dos sensores de temperatura são ilustrados através do esboço, feito
em AutoCAD, exibido na figura 3.1, considerando que as medidas adotadas estão
em milímetros.
Figura 3.1- Esboço do projeto (desenho fora de escala)
48
3.1. Construção do Forno Cadinho
No decorrer do projeto foram utilizados materiais de baixo custo e de fácil
acessibilidade.
Para a base do forno foi utilizado um perfil U 2
de aço carbono, sendo
que esse material é capaz de resistir ao peso do forno e a temperatura quando ele
estiver em trabalho de fusão. Na base do perfil foram fixados, através de soldagem,
quatro rolamentos para facilitar e auxiliar no deslocamento do forno, quando
necessário. A utilização de rolamentos, também, se deve pela sua capacidade de
resistir ao peso do forno. A figura 3.2 exibe as descrições relatadas.
Figura 3.2- Detalhe da base do forno
Antes de iniciar a construção do forno, foi necessário fabricar um cadinho, já
que as dimensões do forno são definidas a partir do cadinho a ser utilizado. Sendo
que, a folga recomendada entre a parede interna do forno e a parede externa do
cadinho deve ser no máximo de 70 mm. [15]
O cadinho foi feito a partir de um tubo de aço carbono (figura 3.3) com 110
mm de diâmetro externo e 190 mm de altura com massa total de 2 kg e volume de
1l. Em suas laterais e em sua base, foram soldados tiras de barras para servirem de
alça e possibilitar a utilização das ferramentas de manuseio (tenaz) do cadinho e em
sua parte frontal foi soldado uma tira de cantoneira para criar um bico de vazamento,
que tem o intuito de facilitar o escoamento do metal fundido, conforme apresentado
na figura 3.4.
49
Para manusear o cadinho durante o processo de fusão do metal, foi
necessário criar tenazes para auxiliar nesse procedimento. Para isso, foram
utilizados dois pedaços de vergalhões 3/8” que foram modelados da forma mais
conveniente, de modo que uma única pessoa possa fazer o trabalho de
movimentação de retirada do forno e até mesmo o vazamento sobre o molde.
Após a construção da base e do cadinho foi possível iniciar a construção do
forno. De inicio, foi usado um tonel de aço (figura 3.5), de 570 mm de diâmetro e 650
mm de altura, que é a carcaça externa do forno, servindo de base para sustentação
do revestimento refratário. Antes da montagem da parede refrataria foi feito um corte
(figura 3.6), de 240 mm, na parte superior do tonel para reduzir sua altura, já que a
tampa do forno tem que ficar aproximadamente 50 mm da borda do. Além disso, foi
feito um furo de 70 mm no tonel (figura 3.7) a uma altura de 150 mm da sua base,
sendo que esse furo deve ser compatível com o diâmetro do tubo do queimador.
Figura 3.5 - Tonel utilizado como base de sustentação do forno
Figura 3.4- Cadinho
Figura 3.6- Corte na parte superior do tonel
Figura 3.3- Tubo de aço carbono
50
Para a construção da parede refratária foi necessária à utilização dos
seguintes itens:
– Tijolos cerâmicos (170 x 90 x 57) mm;
– Cimento Portland;
– Açúcar;
– Solo argiloso (terra vermelha);
– Água destilada;
Após a conclusão das etapas anteriores descritas, foi iniciada a construção da
parede do forno. Inicialmente, colocou-se solo argiloso umedecido e bem socado no
fundo do tonel até atingir 60 mm de altura. Sendo que, essa terra úmida serve para
assentar os tijolos ao redor do tubo gabarito.
Antes do assentamento dos tijolos foi necessário preparar a argamassa para
o revestimento da parede e união dos tijolos. Para sua execução foram necessárias
as seguintes proporções:
Para cada 12 l de solo argiloso:
– 120 g de cimento Portland;
– 1,5 kg de açúcar;
– 1 l de agua destilada;
Para preparar a argamassa foi preciso, inicialmente, colocar a terra em um
recipiente (bacia), em seguida, o açúcar foi misturado em água até ser diluído. A
água com açúcar deve ser adicionada ao poucos ao mesmo tempo em que vai
Figura 3.7- Furo feito no tonel para a passagem do tubo do queimador
51
sendo mexida junto a terra até criar uma massa consistente. Por fim, foi
acrescentado o cimento a mistura até que a massa se tornasse homogênea. [13]
A utilização do açúcar é essencial, pois ele tem a capacidade de retardar as
reações de hidratação da mistura, sendo que a massa pode apresentar rachaduras
durante o processo de perda de água, por evapotranspiração e hidratação, que
ocorre durante a secagem no material. [1]
Para criar um formato circular no revestimento do forno, utilizou-se um balde
cilíndrico de 300 mm de diâmetro para servir de tubo gabarito. Após a sua inserção,
os tijolos foram colocados verticalmente lado a lado, com a argamassa entre eles
para uni-los, como mostra a figura 3.8.
Figura 3.8- Montagem do forno
É importe salientar que a montagem da parede do forno foi feita com o bico
do tubo do queimador posicionado no local em que ele atuará no momento da
combustão, já que o queimador deve passar tangencialmente entre o cadinho e a
parede do forno.
Utilizando o processo análogo, foi feito a segunda parte da parede, sendo
posicionada acima da primeira camada de tijolos, conforme apresentado na figura
3.9.
52
Figura 3.9- Montagem da parte superior da parede
Após o revestimento ser passado em toda a parede, foi necessário criar uma
folga 50 mm entre o local de fixação do cadinho e a parede. Para realização dessa
etapa, foi preciso criar um tubo gabarito de 210 mm de diâmetro utilizando uma
chapa de aço como molde, sendo posteriormente fixada no interior do forno para
criar a folga adequada, como exibido na figura 3.10.
Figura 3.10 - Tubo gabarito para criação da folga
Após a inserção do tubo gabarito e do preenchimento com argamassa ao seu
redor, obtendo-se ao fim da obra uma parede de 180 mm de espessura e, assim, foi
finalizada a etapa de construção do revestimento refratário do forno. É importante
salientar que foi necessário aguardar sete dias para que a parede refratária secasse,
sendo que esse tempo de espera é essencial para evitar o aparecimento de fissuras
53
durante o processo de perda de água. A figura 3.11 mostra a parede do forno ao fim
da montagem.
Figura 3.11- Parede refratária do forno cadinho
Foi preciso, ainda, construir uma base de sustentação para o cadinho. Para
realização dessa etapa, foi utilizado um pedaço de chapa de aço para fazer o molde
da base, sendo que esta deve possuir um diâmetro um pouco maior do que o da
base do cadinho. Portanto, dessa maneira, foi construída e fixada no fundo do forno
uma base de 120 mm de diâmetro e 50 mm de altura. A figura 3.12 retrata a base
descrita.
Figura 3.12- Base do cadinho fixado no forno
54
Para concluir a construção do forno cadinho foi feito uma tampa de vedação
para aprisionar, em volta do cadinho, à chama promovida pelo queimador e reduzir a
entrada de óxidos que possam prejudicar a qualidade do metal fundido.
Para realização dessa etapa foi utilizada uma placa de fibra cerâmica, onde
foram traçados dois círculos com o diâmetro igual ao do forno, como mostrado na
figura 3.13. Logo, os locais traçados foram cortados, e também, foi feito um furo de
100 mm em cada pedaço de placa, sendo que esse furo será a abertura por onde
serão inseridos os metais, durante o processo de fundição. Ainda, as placas foram
unidas por seis pedações de arame, sendo que em dois deles foram feitos laços
para servir de alça para remoção da tampa durante a fundição, como mostrado na
figura 3.14.
Figura 3.14- Tampa refratária
Figura 3.13- Placa de fibra cerâmica
55
Após a construção do forno foi necessário efetuar testes para avaliar as
condições dos materiais utilizados. Na realização dessa etapa foi utilizado um
voltímetro com entrada para termopar tipo k, fabricado pela Minipa®, para medir as
temperaturas alcançadas no interior da câmara e na parte externa do forno. Esse
termopar é ideal para esse tipo de teste, tendo em vista que ele é um tipo de sensor
recomendado para operações em uso continuo em atmosferas oxidantes, além de
ser adequado para realizar medições continuas até 1260 ˚C. [17]
Na figura 3.15 é exibido como foi feita a instalação do dispositivo para que ao
fim dos testes fosse possível obter conclusões da eficácia do forno a partir das
temperaturas máximas encontradas no interior da câmara, no costado do forno e na
tampa.
Figura 3.15- Termopar utilizado
56
4. RESULTADOS
4.1. Teste de eficácia
Para verificar a eficácia da parede do forno, o comportamento da chama e a
refratariedade da tampa foram feitos testes para certificar que todos os dispositivos
operam corretamente.
Para a realização do teste preliminar foi executado um processo de fundição,
tendo em vista que o sistema de fundição em um forno cadinho possui limitações em
relação à temperatura, foram utilizadas carcaças de alumínio para realização do
procedimento, já que esse tipo de metal possui baixo ponto de fusão, cerca de
660˚C (Tabela 2.1) A figura 4.1 ilustra a montagem do queimador junto ao forno
antes de iniciar a queima da mistura ar-combustível (GLP).
Figura 4.1- Montagem do queimador junto ao forno
Após a montagem do queimador no forno, foi inserida a carga de alumínio no
cadinho e vedou-se o forno com a tampa. A partir dessa etapa foi dada a partida de
funcionamento do queimador, para iniciar a combustão e criar a chama de
aquecimento do metal, como mostra a figura 4.2.
Figura 4.2- Sistema de fundição em funcionamento
57
Durante a fusão do metal, a remessa de metal introduzida inicialmente no
cadinho funde e reduz seu volume, deixando espaço livre e possibilitando a inserção
de mais alumínio. A figura 4.3 ilustra a etapa descrita.
Figura 4.3- Inserção do metal no cadinho
Ao finalizar a fusão do metal, a tampa foi retirada e com o auxilio das tenazes
foi feita a retirada do cadinho do forno, como mostra a figura 4.4.
Figura 4.4- Retirada do cadinho do forno
Por fim, foi feito o vazamento do metal fundido sobre um molde, como
mostrado na figura 4.5.
Figura 4.5- Vazamento do metal
58
4.2. Temperatura interna máxima
Durante o teste de fundição foram coletados, com o auxilio do sensor de
temperatura, dados das temperaturas alcançadas, no interior do forno ao longo do
processo de fusão do metal para condições máximas de operação do queimador a
gás. O gráfico (figura 4.6) com os dados (temperatura x tempo) colhidos durante o
experimento permite ter uma noção da eficiência do sistema.
Figura 4.6- Gráfico da temperatura em função do tempo
Nota-se que o forno alcançou a temperatura máxima de 1250 ˚C em 25
minutos, isso garante que a temperatura para promover o vazamento de metais não
ferrosos será atingida em operações de fusão de metal, sendo assim o forno
proposto atingiu uma temperatura limite que permite fundir qualquer metal não
ferroso, tendo em vista, que a temperatura de vazamento é a temperatura ideal para
que o metal líquido apresente uma viscosidade adequada para ser vazado no molde.
Se tratando do alumínio, que foi o material utilizado no experimento, uma
temperatura entre 700 e 760 ˚C (Tabela 2.1) já seria suficiente para poder vazá-lo no
molde. Porém, metais como o cobre que fundem em torno de 1080 ˚C, necessitam
de temperatura de vazamento próximas a 1200 ˚C (Tabela 2.1), sendo assim, a
temperatura máxima atingida no forno não permite que esse tipo de metal entre no
estado ideal de escoamento com tanta facilidade como o alumínio, sendo que para
59
fundir cobre é necessário um tempo em torno de 20 minutos com o forno operando
continuamente, já a temperatura para promover o vazamento desse tipo de metal é
atingida em 25 minutos. Devido a essa restrição, é necessário buscar um queimador
que possa promover uma maior combustão, e assim, gerar uma temperatura interna
maior para facilitar a fusão de metais com pronto de fusão relativamente elevado,
como o do cobre, que entre os metais não ferrosos é o que necessita de maior gasto
energético e mais tempo para ser completamente fundido. A troca do combustível, o
aumento da vazão e a utilização de botijões em paralelo seriam alternativas viáveis
para aprimorar o desempenho do sistema e torna-lo, assim, mais eficaz.
Obteve-se êxito no design circular da parede, sendo que durante os testes
notou-se que a chama, promovida pelo queimador, manteve estabilidade e
apresentou circularidade durante o processo, garantindo, assim, a uniformidade da
temperatura no interior do forno. A parede suportou razoavelmente a alta
temperatura, visto que após o experimento notou-se a presença de algumas
rachaduras no seu revestimento refratário, em consequência disso algumas
alternativas podem ser praticadas para melhorar o seu desempenho como a
utilização de uma argamassa composta por óxidos de alumina ou magnésia, que
dariam maior resistência ao isolamento.
Portanto, o forno desenvolvido exerceu uma atuação eficiente ao ser utilizado
como câmara de combustão do queimador a gás para fundir sucatas de alumínio.
Porém, alguns empecilhos como à falta de um soprador com maior vazão e um
revestimento refratário de melhor qualidade impediram que temperaturas superiores
a 1250 ˚C fossem alcançadas.
4.2. Temperatura no costado do forno
Durante o experimento foi possível medir a temperatura do costado do forno
durante a operação, onde foram feitas três medidas ao redor do forno, encontrando
70, 75 e 80 ˚C, isso indica que o revestimento térmico possui baixa condutividade
térmica e, consequentemente, um baixo fluxo térmico do interior ao exterior do forno,
garantindo, assim, um bom isolamento e permitindo que o calor da chama,
proveniente do queimador, se concentre ao redor do cadinho.
60
Ainda foi possível medir a temperatura na borda da tampa, onde foi
encontrada uma temperatura de 200 ˚C. Esse valor de temperatura indica que uma
boa quantidade de calor esta sendo perdida para o meio externo devido à presença
de uma razoável condutividade térmica da tampa, sendo que isso pode diminuir
consideravelmente a eficiência de operação do forno, além disso, ao final do
experimento notou-se a presença de rachaduras em torno da sua superfície e o
desprendimento de fiapos da fibra durante o aquecimento. Esses problemas
surgiram devido à fina espessura da fibra cerâmica utilizada na confecção da tampa.
Esses empecilhos podem ser resolvidos mudando a tampa de fibra cerâmica por
uma tampa de camada grossa de cimento refratário.
Portanto, o revestimento refratário mostrou-se eficiente por diminuir a
transferência de calor com o meio, desta maneira fez com que a maior parte da
energia ficasse armazenada no interior do forno. Já a tampa refratária se mostrou
frágil para trabalhos contínuos, tendo em vista que o contato direto com a chama
provocou defeitos irreparáveis em sua estrutura.
4.2. Custo do forno
A tabela 4.1 apresenta a quantidade de materiais usados, na construção do
forno, o custo unitário e parcial de cada um deles, e o custo total do forno ao fim do
projeto.
O forno cadinho fixo proposto exige um investimento de U$ 285,31 (Tabela
4.1), enquanto os fornos comercializados, que exibem configuração e funcionalidade
semelhantes ao do forno apresentado, necessitam de um investimento em torno de
U$ 1900,00 para serem adquiridos. [8]
Portanto, o forno cadinho desenvolvido neste trabalho, além da capacidade
de fundir metais não ferrosos de maneira eficiente, apresenta uma boa viabilidade
econômica devido a sua relação custo beneficio, sendo que os materiais utilizados
em sua construção são baratos e possuem fácil acessibilidade no mercado. Sendo
assim, o forno proposto além de ter atingido uma boa eficiência durante seu
funcionamento, apresenta baixo custo para sua montagem, podendo ser uma boa
alternativa para empresas de pequeno porte e laboratórios de pesquisa que realizam
práticas de fundição.
61
Tabela 4.1- Custo com materiais utilizados
Materiais Unidade Quantidade Custo
Unitário (U$) Custo
Parcial (U$)
Tonel de aço 200 litros (usado)
Peça 1 9,37 9,37
Perfil U 2
m 1 9,37 9,37
Pintura para o perfil
– – 6,25 6,25
Rolamentos Peça 4 1,90 7,60
Cadinho Peça 1 6,25 6,25
Tijolos cerâmicos Peça 30 0,35 10,50
Cimento Portland kg 1 0,65 0,65
Açúcar kg 6 0,95 5,70
Fibra cerâmica peça 1 28,15 28,15
Queimador peça 1 139,07 139,07
Mão de obra diária 12 5,20 62,40
Custo total – – – 285,31
(Cotação do dólar a R$ 3,20 em 05/07/2016)
62
5. CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
5.1. Conclusões
Esse trabalho teve a finalidade de construir um forno a cadinho fixo de baixo
custo alimentado por um queimador a gás e promover a fundição de metais não
ferrosos como alumínio e suas ligas, latão, bronze e cobre. Além disso, foram feitos
testes para verificar a eficácia de seu revestimento refratário utilizado na parede do
forno e na sua tampa, do comportamento da chama gerada pelo queimador, da
máxima temperatura atingida no interior e no costado do forno e do comportamento
dinâmico do mesmo durante a fusão dos metais.
Nos testes feitos com o queimador, para gerar a chama no interior do forno,
obtiveram-se resultados satisfatórios, sendo que a chama apresentou ótima
circularidade, visto que isso é um fator essencial para que a distribuição de calor, no
interior forno, seja uniforme, portanto a configuração da parede do forno se mostrou
adequada ao processo. Em experimentos para analisar o aquecimento promovido
pelo queimador no interior do forno, verificou-se uma temperatura máxima atingida
de 1250 ˚C num tempo de 25 minutos. Além disso, durante o experimento, o
revestimento refratário confeccionado com materiais de baixo custo manteve-se
integro e resistiu razoavelmente à alta temperatura, mantendo uma temperatura
máxima do costado inferior a 85 ºC e na tampa inferior a 250 ºC. Portanto, o
refratário proposto assegura proteção à estrutura externa metálica do forno, além de
ser adequado isolante térmico.
Diante dos dados e dos resultados obtidos, pode-se concluir que o forno
proposto é uma boa alternativa para realizar processos de fundição em metais não
ferrosos, demandando poucos recursos financeiros para sua execução e montagem.
5.2. Sugestões para trabalhos futuros
Foi possível detectar, ao fim do projeto, que algumas melhorias podem ser
feitas para aumentar o desempenho do forno e do queimador. Sendo assim, são
indicadas a seguir sugestões para eventuais mudanças no projeto que possibilitem
melhorias no sistema de fundição.
63
– Substituição do soprador por um de maior capacidade para aumentar a
vazão de ar.
– Mudança de combustível do queimador, sendo que o gás GLP pode ser
substituído por óleo diesel ou combustão em modo “dual”, após algumas
modificações neste, promovendo assim uma maior combustão com maior
temperatura interna e facilitando a combustão de metais com maior ponto de fusão
como o cobre.
– Mudança do revestimento refratário do forno por uma nova argamassa
refrataria acrescentando na mistura óxidos como alumina, magnésia e sílica, com o
intuito de aumentar a refratariedade da parede do forno, ou o uso de dupla camada
com o uso na camada externa de manta em fibra cerâmica, reduzindo assim o peso
do forno.
– Mudança do cadinho de aço carbono por um cadinho de carbeto de silício,
sendo que o cadinho de aço carbono, apesar de possuir alto ponto de fusão, pode
apresentar fragilidades após sucessivos aquecimentos, já o cadinho de carbeto de
silício apresenta propriedades mais adequadas a fundição de metais não ferrosos.
– Elaboração de tampa de vedação mais espessa e com maior resistência
mecânica, sendo a tampa feita de fibra cerâmica substituída por uma tampa feita de
concreto refratário.
64
REFERÊNCIAS
1. Açúcar refinado pode ser usado para "temperar" parede de concreto. <http://revistagloborural.globo.com/Revista/Common/0,,EMI247680-18080,00-ACUCAR+REFINADO+PODE+SER+USADO+PARA+TEMPERAR+PAREDE+DE+CONCRETO.html>. Acesso em: 15/12/2015 2. BCS, Incorporated. Advanced Melting Technologies: Energy Saving Concepts and Opportunities for the Metal Casting Industry. 2005. 3. BIZZO,W.A. Geração, Distribuição e Utilização de Vapor. Capitulo 1: Combustão. Disponivel em <http://www.fem.unicamp.br/~em672/GERVAP1.pdf>. Coletado em 05/03/2016. 4. CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecânica: Materiais de Construção Mecânica. v.2. 2.ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1986. 5. CHIAVERINI, V. Tecnologia Mecânica: Materiais de Construção Mecânica. v.3. 2.ed. São Paulo: McGraw-Hill, 1986. 6. COTTA, Luiza Santos; RODRIGUES, Christianne Garcia. Avaliação de Revestimento Refratário no Processo Siderúrgico. Belo Horizonte, MG: UniBH, 2014. 7. DANTAS, Marcello Araújo. Análise do desempenho de um queimador infravermelho funcionando com gás liquefeito de petróleo e glicerina. 2010. 94f. Dissertação (Mestrado) – Centro de Tecnologia, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2010. 8. Foundry Furnace Propane. <http://www.ebay.com/itm/Gold-Silver-Melting-Foundry-Furnace-Propane-Fired-HD-2-Hi-Temp-2-burner-/172064409371> Acesso em: 07/07/2016 9.GARCIA, Roberto. Combustíveis e Combustão Industrial. Edit. Interciência.Brasil,2002. 10. ISENMANN, Armin. O processo do alto-forno e a produção de aço. Timóteo, MG: Centro Federal de Educação Tecnológica, 2008. (Apostila). 11. KARUNAKAR, D.B. Manufacturing Processes: Metal Casting. Department Indian Institute of Technology, Rookee. 2009. (Apostila) 12. MONTEIRO JUNIOR, Ocyr de Lima. Estudo do controle das emissões de poluentes em caldeiras de alta pressão com queimadores convencionais, abordagem da eficiência versus custo do dano. Dissertação (Mestrado) – Faculdade de Engenharia, Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2008.
65
13. OLIVEIRA, Bruno Ferraz de. Fundição. Belém, PA: Rede e-Tec Brasil, 2013. 14. Projeto de forno para fundição. Disponível em: <http://www.guiacnc.com.br/materiais-em-geral/fundicao-em-geral/?action=dlattach;attach=34276>. Acesso em: 22/11/2015. 15. PWM, Brasil. Siderurgia no Brasil. 2013. 16. SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA (SOCIESC). Cadinhos para Fundição. Joinville, 2008. 17. SANTOS, Adriano Ferreira dos Santos. Construção e montagem de um queimador a gás de baixo custo. Cruz das Almas, BA. 2016. 18. Termopar Tipo k. < http://www.ecil.com.br/temperatura-industrial/termopares/termopar-tipo-k/> Acesso em: 20/05/2016 19. UNITED NATIONS ENVIRONMENT PROGRAMME (UNEP). Furnaces and Refractories. 2006. 20. VLASSOV, D. Combustíveis, combustão e câmaras de combustão. Edit. UFPR, Curitiba, 2001.