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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
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Fusão e metais líquidos
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FUSÃO DE
METAIS
CARGA
OPERAÇÃODE FUSÃO
MATERIAL COM COMPOSIÇÃO QUÍMICA
ESPECÍFICA
Tamanho
Formato
Grau de Pureza
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Fusão e metais líquidos
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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Fusão e metais líquidos
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Fusão e metais líquidos
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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Fusão e 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
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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)
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Fusão e metais líquidos
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
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Fusão e metais líquidos
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
Como evitar-eliminar
Controle rigoroso:
• adição fluxos
• qualidade da sucata
Variações na Composição Química
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Problema: Redução no teor de Mg
Origem
Oxidação na fusão e na espera
Temperaturas elevadas
Longos tempos no estado líquido
Como evitar-eliminar
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.
Variações na Composição Química
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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
Como evitar-eliminar
•Limitar uso de elementos que segregam
•Evitar temperaturas de fusão e espera muito baixas
•Evitar tempo de espera excessivo
Variações na Composição Química
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Fusão e metais líquidos
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
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Fusão e metais líquidos
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
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Fusão e metais líquidos
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
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Fusão e metais líquidos
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
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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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Fusão e metais líquidos
• 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;
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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.
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Fusão e metais líquidos
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
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Fusão e metais líquidos
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
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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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Fornos de Indução a Cadinho
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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
Fornos de Indução a Cadinho
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Fusão e metais líquidos
Fornos de Indução a Cadinho
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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Fusão e metais líquidos
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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)
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Fusão e metais líquidos
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.
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Fusão e metais líquidos
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
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Fusão e metais líquidos
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.
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Fusão e metais líquidos
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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Fusão e metais líquidos
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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.
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Fusão e metais líquidos
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
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Fusão e metais líquidos
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
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Fusão e metais líquidos
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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Fusão e metais líquidos
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Representação esquemática do Processo Rotor para desgaseificação de Al e ligas
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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
⇓
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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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Fusão e metais líquidos