Aula 02 Fusão dos Metais 2016 2 - joinville.udesc.br · até chegar aos fornos modernos, de...

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Aula 02 : Fundamentos dos Processos de Fundição- Fusão dos Metais e Ligas

Disciplina: Fundição Semestre 2016_1Prof. Guilherme Verran

01. Introdução – fundamentos da fusão dos metais.

02. Interações entre os metais líquidos e o meio.

03. Princípios metalúrgicos da fusão.

04. Tratamentos dos metais líquidos

05. Fornos de Fusão

06. Gases em metais líquidos: causas, consequências e meios para eliminação

Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran

Fusão e metais líquidos

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FUSÃO DE

METAIS

CARGA

OPERAÇÃODE FUSÃO

MATERIAL COM COMPOSIÇÃO QUÍMICA

ESPECÍFICA

Tamanho

Formato

Grau de Pureza



ELEMENTOS BÁSICOS DA FUSÃO

CARGA

METAIS PUROS

ANTE-LIGAS

MATERIAL RECICLADO

SELEÇÃO DA

CARGA

BALANCEAMENTO DAS COMPOSIÇÕES DAS MATÉRIAS PRIMAS

COMPOSIÇÃO FINAL DESEJADA



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Principal Problema na Fusão de

Materiais Metálicos

VARIAÇÃO DA

COMPOSIÇÃO QUÍMICA

⇓

PEÇAS FUNDIDAS FORA DAS ESPECIFICAÇÕES

REATIVIDADE QUÍMICA DOS METAIS LÍQUIDOS

⇓



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Recomendação Importante

CONDUZIR A OPERAÇÃO DE MODO A EVITAR OU REDUZIR COMBINAÇÃO DO METAL/LIGA COM OS ELEMENTOS QUE O CERCAM

TIPOS DE

FUSÃO

Fusão Simples

Fusão sob Vácuo ou Atmosfera Inerte

Aumento da Reatividade Química da

Liga



ESTÁGIOS DA

FUSÃO

Fusão propriamente dita ⇒

Reações com a atmosfera circundante

Tratamentos do Banho

⇒Uso de fluxos-escória para remover impurezas

Ajuste da Composição

⇒Adição de metais muito reativos no final da operação. Ex: Mg em Al.

Ajuste e Controle das Propriedades

⇒ • Desoxidação

• Refino de Grão

• Inoculação

• Desgaseificação



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Possíveis Interações entre o Metal Líquido e o “Ambi ente”

1 . Dissolução de gases no metal

2 . Reações geradoras de gases

3 . Trocas Metal-Escória

4 . Reações do Metal com o Cadinho (recipiente)

1 2

3

4



Fontes de Impurezas e de Elementos Estranhos ao Metal Líquido

Fusão em Fornos Elétricos

Fusão em Fornos a

Combustível

Produtos de Combustão(CO2 - CO - H2O - SO2 + O2 e N2)

P e S das cinzas de Combustíveis Sólidos

Recipiente Refratário

Atmosfera Normal (O 2 - N2 - H2O - CO2)

Contaminações Metálicas e Não Metálicas (Si - Al - O 2 - H2)

Carga e Ferramentas usadas na Fusão



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PRINCÍPIOS METALÚRGICOS DA FUSÃO

REATIVIDADE QUÍMICA

REAÇÃO MAIS PROVÁVEL COM O

OXIGÊNIO

M + O2 ⇔ MO2

MISTURA E EQUILÍBRIO

ELEMENTOS DE LIGA (SOLUTOS) SÃO DISSOLVIDOS

NO METAL BASE (SOLVENTE)

PREVISÃO DA SOLUBILIDADE ⇒DIAGRAMAS DE EQUILÍBRIO



Variações na Composição Química

Problema: Enriquecimento em Fe

Origem

Contaminação pelo ferramental

Sucata com partes de Fe inseridas ou de procedência duvidosa

Consequências

Al-Si⇒ fragilizaçãocomposto AlFeSi em

forma de escrita chinesa

Al-Cu ⇒ formação decomposto não solúvel no tratamento térmico

Como evitar-eliminar

Controle da qualidade da sucata

Proteger ferramentas

Limitar tempo contato ferramentas-banho



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Problema: Enriquecimento em Ti

Origem

Introdução de fluxos

Sucata de origem duvidosa

Consequências

Acima de 0,3% Ti forma TiAl 3 sob a forma de cristais primários


Controle rigoroso:

• adição fluxos

• qualidade da sucata




Problema: Redução no teor de Mg

Origem

Oxidação na fusão e na espera

Temperaturas elevadas

Longos tempos no estado líquido


Controlar:•Temperatura•Tempo de permanência•Momento da adição do Mg

Consequências

Perdas na fusão:0,15-0,25 Al-Mg0,04-0,10 AlSiMg

Perdas na espera:0,01 AlSiMg

AlCuMgTi0,02 AlSiMg mod.




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Problema: Heterogeniedade do banho no forno

Teores elevados de liga

Origem

Segregação de elementos/compostos insolúveis a baixas T

Temperaturas baixas

Falta de agitação

Consequências

•Variações na composição do

banho

•Formação de pontos duros

•Formação de depósitos no

fundo dos cadinhos


•Limitar uso de elementos que segregam

•Evitar temperaturas de fusão e espera muito baixas

•Evitar tempo de espera excessivo




TRATAMENTOS DOS METAIS LÍQUIDOS

OBJETIVOS • PROTEÇÃO CONTRA OXIDAÇÃO E ABSORÇÃO DE GASES

• RETIRADA DE GASES DISSOLVIDOS

• ALTERAÇÕES NOS MECANISMOS DE SOLIDIFICAÇÃO



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TRATAMENTOS DOS METAIS LÍQUIDOS

• UTILIZAÇÃO DE FUNDENTES DENOMINADOS FLUXOS

• SÃO CLASSIFICADOS DE ACORDO COM AS SUAS FUNÇÕES

• PROTEÇÃO CONTRA OXIDAÇÃO E ABSORÇÃO DE GASES

• ELIMINAÇÃO DE ÓXIDOS E GASES

• REFINADORES DE GRÃOS



FLUXOS DE PROTEÇÃO

• PREVENÇÃO DE PERDAS DE METAL DURANTE A FUSÃO.

• COBERTURA PROTETORA SOBRE O METAL LÍQUIDO.

• REDUÇÃO DE PERDAS NA RETIRADA DA ESCÓRIA



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FLUXOS DE PURIFICAÇÃO

• ELIMINAÇÃO DE GASES DISSOLVIDOS E DE ÓXIDOS

• REAÇÃO QUÍMICA PRODUZ BORBULHAMENTO

• EXTRAÇÃO MECÂNICA DE GASES E ÕXIDOS



FLUXOS REFINADORES

• INTRODUÇÃO DE SUBSTRATOS PARA AUMENTAR A FREQUÊNCIA DE NUCLEAÇÃO

• ESTRUTURA COM GRÃOS MAIS FINOS

• MELHOR COMPORTAMENTO MECÂNICO



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CARACTERÍSTICAS EXIGIDAS DE UM FLUXO

• BOA FLUIDEZ.

• DENSIDADE INFERIOR AO METAL LÍQUIDO.

• POUCO HIGROSCÓPICO.

• NÃO TÓXICOS

• DISSOLVENTE DE ÓXIDOS

• FACILMENTE DECOMPOSTO OU VOLÁTIL



Fornos de Fusão

FORMAS DE AQUECIMENTO

ELÉTRICO

QUEIMA DE COMBUSTÍVEIS

Indução Eletro-magnética

Resistência

Arco Elétrico

Óleo

Gás

Carvão



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CONFIGURAÇÃOE ASPECTO FUNCIONAL

Cadinho

Revérbero

Rotativo

Extração por Levantamento

Basculante

Teto deflete a chama e os produtos de combustão para superfície do metal

Fornos de Fusão



Fornos Especiais

CUBILOT

• Forno de cuba vertical.

• Funcionamento contínuo.

• Produção de F 0Fos.

CONVERSOR

• Fabricação de aços.

• Oxidação de Impurezas.



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• História– Surgiram antes da Primeira Guerra Mundial, mas

com características básicas, que foram evoluindoaté chegar aos fornos modernos, de última geraçãoe totalmente automatizados.

– Essa tecnologia moderna surgiu na Alemanha,desenvolvida pela GHW, após a Segunda GuerraMundial.

– No Brasil, o primeiro forno cubilô moderno foiinstalado 1982, na Sofunge, naquela época a maiorfundição do país. Antes de adquirir esse forno, aSofunge tinha 12 cubilôs convencionais, a maioriadeles adquiridos de segunda mão nos EstadosUnidos.

– A maioria dos cubilôs em funcionamento no paíssão simples e de pequeno porte e podem serdesligados quando for necessário. Já os cubilôsmodernos foram projetados para funcionarininterruptamente.

� Forno Cubilô 1967 – Escola Politécnica


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• Zona superior de carga • Zona de carregamento• Zona de fusão• Cadinho• Furo de vazamento• Sifão• Bica de vazamento

Zona superior de carga

Zona de carregamento

Zona de fusão

Cadinho

Furo de vazamento

Sifão

Bica vazamento



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• A composição da cargadepende:– Metal que a constitui;

– Combustível;

– Substância fundente.

• Exemplo – Carga totalpara a produção deFerro Fundido:





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• Baixo Custo:– Fusão;– Carburização;– Carga Metálica;– Pessoal Operacional;– Manutenção;– Metal Quente.

• Alta Flexibilidade:– Fundição de sucatas contaminadas por:

• Plástico ou graxa;• Sujeitara ou escória;

– Fundição de grandes quantidades desucata galvanizada;

– Índice de fusão variável até 35%;– Produção de diversos tipo de ferro.

� Emissões Reduzidas:

o Particulados e metais pesados;

o CO2;

o Outros;

� Aplicações:

o Ferro Cinzento;

o Ferro Nodular;

o Ferro Vermicular;

o Ferro Maleável;



http://www.flickr.com/photos/fonderiefonte/3485282717/in/photostream/

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http://www.flickr.com/photos/fonderiefonte/3485282717/in/photostream/

Fornos de

Cadinho

Utilizações

FORMAS DE AQUECIMENTO

Fusão de Metais Não Ferrosos em fundições de

pequeno porte.

Tratamentos - Espera e Manutenção em Fundição

Sob Pressão.

Elétrico a Resistência

Queima de óleo, carvão ou gás



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Fornos de Cadinho a

Resistência

Cadinhos, com capacidade de até 250 kg de alumínio. Com 24 kW, funde 70 kg por hora.



Fornos de Cadinho a

Resistência

Cadinhos, com capacidade de até 191 kg de alumínio. Com 24 kW, funde 70 kg por hora.



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Fornos de Cadinho a Resistência



Seção Transversal de um Forno elétrico à Arco

Fornos à Arco Elétrico



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Vista em corte de um forno à arco mostrando os refratários utilizados



Fornos de

Indução

Princípio de Funcionamento

Ao passar corrente elétrica por um bobina primária (solenóide) o metal ou o cadinho

funciona como uma bobina secundária

Indução de Correntes Parasitas (Correntes de Foucaudt)

Produção do Efeito de Aquecimento



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Fornos de Indução a Cadinho

Cadinho de material refratário socado no local ou p ré-fabricado, circundado por uma bobina cilíndrica fei ta de tubo de cobre percorrida por água de resfriamento.

• A bobina indutora tem aproximadamente a mesma altura do nível do banho.

• O campo magnético origina um movimento do banho cuja intensidade depende da potência fornecida e, e m função inversa, da frequência de corrente.






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Vista em corte de um forno a indução a cadinho mos trando a bobina de cobre e os demais componentes estrutura is





Vista em corte de um forno a indução a cadinho em operação, mostrando o efeito de agitação (homogeneização do b anho) devido as correntes convectivas provocadas pelo campo magn ético



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Fornos de Indução a Canal

É um grande reservatório de metal fundido sem aquecimento direto.

• Somente o líquido que se encontra no canal é aquecido por indução pela bobina do indutor.

Utilizações Superaquecimento e armazenamento de metal líquido (ferro fundido)



Fornos de Indução a

Canal



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Vista em corte de um forno a indução à canal mostra ndo um arranjo diferenciado da bobina de indução.



Forno de Indução

Transferência para panela de

vazamento



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Explosão de um forno a indução

Provável Causa

Carga contendo umidade

Problemas na Fusão por Indução



Problemas na Fusão por InduçãoRespingos no

Vazamento

Podem causar lesões sérias nos

operadores



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GASES EM METAIS LÍQUIDOS

Fenômeno : os metais líquidos dissolvemconsideráveis volumes de gás durante as operaçõesde fusão

Conseqüência : os gases dissolvidos no seio do líquidodevem ser removidos antes da solidificação sob pena deocorrência de defeitos tipo “bolhas de gás ” devido asdiferentes solubilidades destes gases no líquido e nosólido.



500 550 600 650 700 750 800 850 900

Temperatura, °C

0,2

0

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

Sol

ubili

dade

em

mL

/ 100

g

Sólido

Líquido

Solubilidade do hidrogênio no alumínio a 1 atm

Gráfico mostra grande variação da solubilidade do h idrogênio no Alumínio em função da mudança no estado físico



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Problema sob o ponto de vista da Metalurgia de Fundição

Surge quando a quantidade de gases no metal líquido excede a que pode ser retida

em solução sólida .

⇓

A concentração de gases no líquidoremanescente aumenta com o progresso dasolidificação e, em certo ponto, nucleiam-se ecrescem bolhas gasosas.



a) Baixa velocidade de avanço da frente de solidificação ⇒ a frente repele as bolhas

b) Média velocidade de avanço da frente de solidificação ⇒ formação de bolhas alongadas

c) Alta velçocidade de avanço da frente de solidificação ⇒ formação de porosidades dispersas

Efeito da velocidade de crescimento na interação entre bolhas de gás e a interface sólido-líquido



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Princípios de Solubilidade e Formação de Compostos

A dissolução de um gás em um metal pode serindicada por uma expressão do seguinte tipo:

M H Hl g( ) ( )+ ⇔2 2

particularmente para o Al:

Al H Hl g( ) ( )+ ⇔2 2

a molécula H2 (g) de gás hidrogênio se dissocia emcontato com o Al, entrando em solução comohidrogênio atômico → H



Para o Sistema Al (l) e O2(g) o produto da reaçãoé um composto sólido (s):

Al O Al Ol g s( ) ( ) ( )+ →2 2 3

O2 não se dissolve no Al (l) e forma um filme deóxido na interface metal-gás.

Nas condições normais de fundição Al2O3 se formacomo um filme sólido na superfície do alumíniolíquido.

⇓



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Eliminação de Gases nos Metais Líquidos

Tratamentos mais importantes na remoçãode contaminantes gasosos de metais líquidos:

Remoção de Hidrogênio

Remoção do Oxigênio



Remoção de Hidrogênio

Prática mais comum de desgaseificação:

Borbulhamento de um gás inerte no metal líquido

“Cloro ou Nitrogênio no caso das ligas de Al”

⇓

O gás inerte ao se deslocar no interior dolíquido tende a arrastar consigo o H atômicodissolvido neste líquido, ocorrendo então adesgaseificação do metal líquido.



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Representação esquemática do Processo Rotor para desgaseificação de Al e ligas



Remoção do Oxigênio

A solubilidade do oxigênio nos metais difere da dohidrogênio principalmente pela grande tendência dooxigênio de formar compostos estáveis com osmetais.

a) Compostos insolúveis nos metais líquidos nastemperaturas normais de fusão ⇒ a desoxidação setorna desnecessária , como nos casos do Al , Mg, Sn,Pb, Cd, Zn e respectivas ligas

b) Metais que dissolvem oxigênio(Cu, Ni e Fe) ⇒ asolubilidade do oxigênio em relação à atmosfera dos fornospode ser tratada de mesma maneira que com ohidrogênio



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Desoxidação pela Aplicação do Princípio da Estabilidade Relativa dos Óxidos

Ma = metal líquido solvente contendo oxigênio em solução

Mb = elemento soluto adicionado

Se o óxido MbO mais estável que o óxido MaO.

Mb é considerado um desoxidante satisfatório para o metalMa se forem obedecidas outras condições adicionais

⇓



Condições para que uma Metal B seja um desoxidante efetivo do Metal A

• O produto de desoxidação (óxido MbO) deveseparar-se facilmente do metal líquido.

• As propriedades do metal Ma não devem serafetadas substancialmente por qualquer resíduo de Mbque permaneça em solução.

• A quantidade de oxigênio residual em solução nãodeve ter efeito significativo nas propriedades da ligafundida.



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A reação de desoxidação pode serrepresentada pela equação:

M O M Ob b+ ⇔

onde Mb e O estão em solução em Ma , e MbO é um óxido sólido, líquido ou gasoso

Exemplo : Desoxidação de Aços

Ma = Ferro Líquido Mb = Al - Si - Mn

MbO = Al 2O3 - SiO2 - MnO



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