Alunos:

Adriano Vitor Ruiz – RA: 200060683

Elvis Alessandro P. Lameu – RA: 200070144

SEMINÁRIO: FORNOS USADOS NA FUNDIÇÃO

DOS METAIS

Tecnologia e Metalurgia da

Fundição

Prof. Erivelto Marino

Piracicaba, Maio/2010

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Sumário

Fornos Elétricos ............................................................................................................ 3

Fornos de Arco ............................................................................................................. 3

Fornos Por Indução Elétrica .......................................................................................... 7

Fornos de Alta Frequência .......................................................................................... 10

Vantagens dos Fornos Elétricos ................................................................................. 10

Forno de Revérbero .................................................................................................... 11

Forno Cubilô ............................................................................................................... 12

Referências Bibliográficas........................................................................................... 14

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FORNOS ELÉTRICOS A eletricidade não podia tampouco deixar de intervir diretamente num campo da amplitude que representa a fusão dos metais. Quando se trata de pequenas quantidades de metal que não seja o ferro, devido à sua elevada temperatura para fundir, pode-se usar um recipiente aquecido eletricamente. Para trabalhar industrialmente, os fornos elétricos são empregados com as seguintes formas: forno a arco e forno de indução ou ação indireta.

FORNOS DE ARCO Desde os primeiros tempos da luz elétrica, ao observar-se a alta temperatura a que chegava o arco elétrico (cerca de 2500 graus) pensou-se em utilizá-lo para fundição. Porém, naquela época, tropeçava-se com o inconveniente, a um custo razoável e, além disso, o preço da corrente elétrica era muito elevado. Hoje, salvo esses inconvenientes, o forno elétrico é de uso comum na fundição. Um dos tipos mais comuns, vemos um dos tipos mais comuns, utilizados nos primeiros tempos da aplicação do arco à fundição. Nesta figura 01 representa os dois eletrodos, o envoltório do forno, que neste caso funciona também como cadinho, e o nível da massa de metal fundido que sai pela boca mediante um movimento de vaivém do forno.

Figura 01 - Desenho esquemático de um forno a arco elétrico.

A vantagem do forno a arco elétrico reside na simplicidade e rapidez das operações para chegar-se a fundir certa quantidade de material. Aqui não há ventiladores, combustível, cinzas, nem escórias. Acionando uma simples chave elétrica,

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começa a funcionar o aparelho e seus funcionamentos não é alterado quimicamente por gases nem por algum produto da combustão. Em um forno de tamanho regular consome-se 1 kWh por quilo de material fundido e para fundir uma tonelada levam-se 2 horas. Em todos os fornos de arco elétrico, o sistema sempre repousa na produção do arco formando entre a massa de metal e um vários eletrodos de carvão. Não é conveniente usar eletrodos de metal, pois nestes se produzem fusões parciais, são consumidos com enorme rapidez e o arco se interrompe com grande freqüência. Esses eletrodos vão suspensos rigidamente aos suportes-guias que, por sua vez, são comandados pelo mecanismo que mantém a distância correta do eletrodo com respeito ao material e à estabilidade do arco. Não é preciso mencionar que estas operações são totalmente automáticas, variando-se à mão unicamente a quantidade de corrente, isto é, a quantidade de calor.

Figura 02 - Desenho esquemático do funcionamento de um forno a arco elétrico.

É constituído por uma carcaça de aço feita de chapas grossas soldadas ou rebitado, de modo a formar um recipiente cilíndrico com fundo abaulado. Essa carcaça é revestida na parte inferior (chamada soleira) por materiais refratários, de natureza básica (dolomita ou Magnesita) ou ácida (sílica), dependendo da carga que o forno vai processar. O restante do forno é revestido com tijolos refratários silicosos. Os eletrodos responsáveis, juntamente com a carga metálica, pela formação do arco elétrico estão colocados na abóbada (parte superior) do forno. A carga deste forno é constituída, basicamente, de sucata e fundente (cal). Nos fornos de revestimento ácido, a carga deve ter mínimas quantidades de fósforo e enxofre. Nos fornos de revestimento básico, a carga deve ter quantidades bem pequenas de silício. Durante o processo, algumas reações químicas acontecem: a oxidação, na qual se oxidam as impurezas e o carbono, a desoxidação, ou retirada dos óxidos com a ajuda de agentes desoxidantes, e a dessulfuração, quando o enxofre é retirado. É um processo que permite o controle preciso das quantidades de carbono presentes no aço.

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Figura 03 - Fotografia do FEA (Forno Elétrico Arco) da Usina da Villares – Pindamonhangaba/SP

Na figura 04 pode-se ver um corte esquemático de outro tipo de forno elétrico.

Figura 04 - Desenho esquemático de um forno a arco elétrico, basculante.

Também em pequenas explorações pode-se usar o forno de arco elétrico para fusão, sempre que as condições de preço e comodidade assim exigirem. Nestes casos o mais conveniente é utilizar como forno um cadinho de grafita, do tamanho necessário para preparar o material requerido em uma só operação. A forma de utilizar o cadinho de grafita consiste em fazer com que este cadinho sirva como um dos pólos, pois, como o outro eletrodo será regulado à mão, é muito mais fácil regular um só deles e não dois, que em certas circunstâncias é de

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manejo impraticável. Esta maneira de utilizar o cadinho de grafita apresenta um inconveniente (devido ao material de que é construído): ao começar a passagem de corrente do cadinho ao material, as partes do cadinho em contato com o material tornam-se incandescentes e se queimam. Este inconveniente é minorado em grande parte, dispondo-se o interior do cadinho, diretamente em contato com suas paredes, o mais espelhado possível. Não esqueçamos que quando, no local, os meios para instalação de outro aparelhamento não são apropriados, é a forma ideal para fundir. Na figura 05 vemos a forma de dispor os vários elementos para efetuar a fundição de metal em um forno de arco elétrico, cuja capacidade pode variar desde algumas gramas até mais ou menos 15 quilos, com grande economia de capital, espaço e tempo. Antes de continuar com a descrição do forno de fundição de arco elétrico, devemos observar que não é razoável utilizar a corrente elétrica com a tensão que oferecem as companhias de eletricidade. Esta tensão deverá ser baixada de 220 volts para 40 volts mediante transformadores, que são de fácil construção. Toda a diferença entre 40 e 220, isto é, 180 volts ou cerca de 400%, é pura perda e sem nenhuma vantagem para o arco elétrico; portanto, é de grande necessidade reduzir a corrente elétrica, que deverá ser alternada, para que esta transformação seja possível.

Figura 05 - Desenho esquemático de um pequeno forno caseiro a arco elétrico.

Voltando á figura 05, vemos (1) o punho de madeira seca com o qual regulamos a descida e a marca do eletrodo (4) que passa forçando no orifício do suporte (6). Vê-se ainda (5) o braço, que leva o condutor elétrico, o calor (3) e o anel de contato (2) feito de cobre ou bronze. O outro condutor, com o qual se alimenta o eletrodo de carvão (devendo ter uma seção grande, superior a 30 mm²), está soldado no aro. Este aro deverá ser

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colocado o mais próximo e a uma distância prudente da parte mais larga do cadinho, devendo ter contato bem perfeito com o cadinho, rodeando sua volta exterior numa largura de 3 a 8cm. Sobre este arco apoiar-se ao cadinho, para que, devido ao calor, ao dilatarem-se o aro e o cadinho (como o aro dilata-se mais do que a grafita do cadinho) possa o cadinho ficar suspenso e continue o contato entre ambos. Devemos destacar, para o melhor aproveitamento do cadinho, que este, uma vez terminada a fundição, deverá ser limpado do material e escórias estando ainda bem quente, evitando-se fazer pressão com o raspador, e deixando esfriar sobre areia bem seca com a boca para baixo. Quando se carrega o cadinho, este e a carga deverão estar bem secos e se possível um pouco quentes.

FORNOS POR INDUÇÃO ELÉTRICA Existe outro tipo de forno elétrico, não baseado na ação calorífica do arco elétrico, que permite uma regulação térmica quase de grau em grau em toda a massa e que, por produzir-se por ação induzida no seio do metal, pode ser utilizada para os metais como o zinco, alumínio, estanho, etc. sem que haja necessidade de descobrir o cadinho, evitando a ação redutora do ar que no caso citado do zinco (conjuntamente com o calor) converte o metal num pó branco, que é óxido de zinco, material inútil em metalurgia.

Figura 06 – Fotografia de uma linha de fundição feita por forno de indução elétrica.

Neste modelo de forno podem-se utilizar todos os materiais que sejam condutores de eletricidade e como, entre estes, os metais ocupam o primeiro lugar, este tipo de forno é o mais indicado para a fusão de qualquer metal, pois sua regulação lhe permite a fusão desde a platina até o chumbo (que é um dos metais com ponto de fusão mais baixo: 326ºC). O princípio sobre o qual se baseia o forno de fusão por indução é o seguinte: se em um aparelho de corrente elétrica alternada, que leva dois enrolamentos chamados “secundário” e “primário” (fig. 07), substituirmos o enrolamento (secundário”

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por uma só volta, esta volta receberá toda a corrente que passa pelo transformador e, se este for bastante poderoso, a temperatura desta única volto do “secundário” ir-se elevando até fundir-se.

Figura 07 – Figura esquemática do princípio do forno de indução.

O núcleo do transformador (C) é formadas de chapas de ferro doce bem apertada e separadas entre si por uma camada de verniz isolante. O “primário” do transformador (A) é formado por milhares de espiras de arame isolado e cujo número varia de acordo com a potência do transformador. O “secundário” (B) é formado por um a única volta pela qual passa toda a corrente do “primário”. A teoria do funcionamento dos transformadores elétricos foge à índole deste trabalho e poderá ser vista com todos os detalhes em qualquer livro de eletricidade. Nos fornos industriais de indução, o anel que vimos rodear o “secundário” é substituído por um canal circular, estando subentendido que o mesmo se encontra dentro do material refratário que constitui o forno.

Figura 08 – Forno de Indução e suas principais partes.

Também processa sucata. O conjunto que compõe esse forno é formado de um gerador com motor de acionamento, uma bateria de condensadores e uma câmara de aquecimento. Essa câmara é basculante e tem, na parte externa, a bobina de

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indução. O cadinho é feito de massa refratária socada dentro dessa câmara, onde a sucata se funde por meio de calor produzido dentro da própria carga. Para a produção do aço, liga-se o forno, e os pedaços de sucata que devem ser de boa qualidade vão sendo colocados dentro do forno, à medida que a carga vai sendo fundida. Depois que a fusão se completa e que a temperatura desejada é atingida, adiciona-se cálcio, silício ou alumínio, que são elementos desoxidantes e têm a função de retirar os óxidos do metal. A figura 09 representa esquematicamente um forno industrial de indução.

Figura 09 – Figura esquemática de um forno industrial de indução.

Este forno, que também é basculante, produz uma tonelada de material fundido (geralmente aço) em 2 horas de trabalho, absorvendo um total de 800 kW. O núcleo do forno é formado pelo ferro do transformado que tem o formato de um H (representado no número 1 da figura). Este núcleo é rodeado superiormente pelo “primário” (2). A parte inferior do forno é composta de material refratário, que serve para isolar o calor do metal em fusão, contido em seu canal (A), do núcleo e “primário” do transformador. Esse canal forma um anel fechado que é o secundário; a cuba (3) também neste caso se acha formada por fortes chapas rebitadas. O canal (A) comunica-se com o exterior por intermédio do bocal (4). No presente caso, entre o canal e o bocal foi posto um diafragma (5) que obriga o metal a sair em forma de sifão. Como o metal sai do fundo, não arrasta escória nem impurezas que se acham na superfície. Mediante o uso de aparelhos elétricos de manobra, é possível regular a marcha térmica deste forno instantaneamente e trabalhando o mesmo continuamente seu rendimento é duplicado. Veja abaixo algumas empresas que usam Fornos de Indução Elétrica:

o 02 Fornos de Fusão a Indução, com capacidade de 1T e 3,5 ~ 5,5T; o 02 Fornos de Fusão a Arco Elétrico, com capacidade de 12 ~ 38T, o que permite

vazar simultaneamente até 59T de metal líquido.

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o 02 com capacidade de 180kg; o 01 com capacidade de 400kg; o 01 com capacidade de 800kg; o 02 com capacidade de 1,2T; o 02 com capacidade de 2,5T.

VANTAGENS DOS FORNOS ELÉTRICOS As vantagens que possuem os fornos de fusão por eletricidade sobre quaisquer outros são tão grandes que não podemos de mencioná-las: 1ª) Nesse tipo de forno não é preciso ventilador nem combustível, e a manipulação para ser carregada efetua-se por meio de carretilhas ou vagonetes; 2ª) Especialmente nos tipos de indução, a temperatura é facilmente regulável dentro de uma ampla variação que vai desde a temperatura ambiente até a fusão do material, por mais elevada que esta seja. Esta temperatura pode ser equilibrada mediante os dispositivos elétricos que servem para regular correntes, com intervalos não maiores de 10 graus; 3ª) Ainda que possam existir no local de utilização combustíveis mais baratos que a energia elétrica, resulta, quase sempre, mais barato o aquecimento elétrico porque não requer transporte, armazenamento, nem mão-de-obra e sua ação é instantânea; ligada à chave imediatamente começa o calor; 4ª) É útil, econômica e tecnicamente, tanto para o grande industrial que trabalho com cadinhos-cubas de 50 a 100 toneladas como para o pequeno fundidor que somente utiliza um cadinho de 5 quilos. É grande o ganho de tempo, mão-de-obra, equipamento e facilidade de manejo.

FORNOS DE ALTA FREQUÊNCIA São muito semelhantes em sua forma e funcionamento aos fornos de indução. Nos fornos de alta freqüência é dispensável o núcleo de ferro e, em princípio,

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o “primário” é formado por algumas espiras de arame. Por este “primário” passa uma corrente que muda de sentido milhares de vezes por segundo, as quais induzem o “secundário” (que neste caso não precisa ter o formato de anel) a opor-se à passagem da corrente e, como sua massa é maior do que o “primário”, eleva a sua temperatura.

FORNO DE REVÉRBERO Os fornos de revérbero, atualmente muito pouco usados, têm seu emprego mais indicado no beneficiamento da prata contida no chumbo de segunda fusão. Como já dissemos, houve uma época em que, mediante uma contínua remoção à mão, efetuava-se nestes fornos a transformação do ferro em aço, operação que se fazia estando o material fundido. Esta operação longa e penosa tinha o nome de “pudlagem” e era na sua época a única forma prática de conseguir o aço partindo do material do alto-forno. Atualmente se chega aos mesmos resultados por meio de remoção mecânica. Na figura 10 vemos um forno de revérbero. Toda a construção é de alvenaria de tijolo, sendo de material refratário as partes em contato com o fogo ou com o material em fusão. O número (2) da gravura indica a entrada da lareira (1). Esta é geralmente alimentada com carvão de pedra e acha-se intensamente aquecida, para que os gases quentes e a irradiação do calor ao se refletirem na abóbada e caindo sobre o material que se acha na soleira (3) provoquem a fusão deste material. Continuando os gases quentes o seu percurso no forno, ao chegarem ao extremo oposto à lareira, encontra-se com um obstáculo (5) que intercepta parcialmente sua passagem à chaminé (6) e cuja finalidade é fazer com que exista a maior quantidade de gases quentes no forno, e que, quando estes gases saírem pela chaminé à atmosfera, estejam frios. Este tipo de forno é de consumo um pouco mais elevado do que os comuns, em combustível, pois vemos pela descrição que a ação do fogo é indireta.

Figura 10 – Ilustração do funcionamento do forno revérbero.

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FORNO CUBILÔ O forno cubilô geralmente é usado na produção de ferro fundido comum, ele trabalha com ferro-gusa, sucata de aço e de ferro fundido, calcário (para separar as impurezas), ferro-silício, ferro-manganês e coque, como combustível. A carga é feita

por uma abertura lateral na parte superior. Ele funciona sob o princípio da contra-corrente (como o alto-forno), ou seja, a carga metálica e o coque descem e os gases sobem, O metal fundido deposita-se no fundo, onde é escoado pela bica ( uma calha de vazamento ). Para começar, limpa-se o forno, que é uma carcaça cilíndrica, vertical de aço, revestida internamente com tijolos refratários. Em seguida, coloca-se um pouco de madeira e o coque no fundo e ateia-se fogo. Quando o fogo atravessa toda a camada de coque e madeira, liga-se o sopro de ar. Nesse momento, é iniciada a carga: em camadas, são colocadas quantidades pré-determinadas de ferro-gusa, sucata, coque e fundente (calcário).

Esse carregamento continua, até atingir o nível da porta de carga e assim deve ser mantido durante toda a operação. Essa operação pode ser intermitente ou contínua.

Se ela for intermitente, a corrida metálica, ou seja, a retirada do ferro fundido do forno, é feita periodicamente, sempre que necessário. No segundo caso, o material fundido é despejado continuamente na calha de vazamento. Nessa calha, há uma bacia que separa a escória do metal. Esta, por apresentar menor densidade, flutua e escorre lateralmente. O ferro corre para a panela de fundição. O forno cubilô não permite que se faça um controle rigoroso da composição química do metal. Por isso, ele é empregado para a produção de ferro

fundido que será usado na fabricação de peças que não sofrerão grandes esforços. Para a produção de ferros fundidos de alta qualidade, são usados fornos elétricos ou fornos cubilô em conjunto com os fornos elétricos.

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Figura 11 – Figura esquemática do forno cubilô e suas principais partes.

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Tab. 01 – PRINCIPAIS PARTES DO FORNO CUBILÔ

Nº Descrição Nº Descrição

01 Cuba 16 Antecadinho

02 Cadinho 17 Refrigeração do Refrat.

03 Anel de Vento 18 Captação de Poeiras

04 Ventaneiras 19 Coluna de Sustentação

05 Vigias 20 Válv. De Regul. do Ar

06 Porta de Visita 21 Tubulação de Água

07 Porta de Carga 22 Saída de Água e Poeira

08 Plataforma de Carga 23 Refratário

09 Chaminé 24 Tijolo de Ferro Fund.

10 Bica de Sangria do Ferro 25 Soleira

11 Bica de Sandria da Escória 26 Fundação

12 Bica Auxiliar A Zona do Cadinho

13 Tubulação de Ar B Zona de Combustão

14 Ventilador C Zona de Redução

15 Porta de Descarga

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

CHIRISTIENSEN, J. Gregorich. Manual de fundição. São Paulo: Egeria, 1978. 89 p. (HOT-LINE - Manuais tecnicos).

Catálogos Institucionais das empresas: Indústria ROMI SA (www.romi.com.br) DEDINI Indústria de Base (www.dedini.com.br) FEMAQ Fundição (www.femaq.com.br) Aços Villares (www.villares.com.br).

Vídeo: http://www.youtube.com/watch?v=9zDa_mEI0N0&feature=related