Estado da técnica e objetivos no desenvolvimento de fornos de vazamento

Este artigo compara diferentes tecnologias de fornos de vazamento, em especial para a fundição de ferro. Foram considerados os seus tamanhos/ capacidade, tipos de aquecimento, controle do processo e troca da bacia, para a substituição da liga a ser fundida.


Dietmar Trauzedel

Data: 01/10/2016

Edição: FS Outubro 2016 - Ano 26 - No 286

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Fig. 1 - Forno de vazamento com aquecimento por indutor

Os fornos de vazamento para ferro fundido e equipamentos correlatos são parte das linhas de moldagem, sendo basicamente estacionários.
As versões automáticas vieram a atender inúmeros requisitos, como uma melhor reprodutibilidade e precisão, tempos de ciclo menores e tolerâncias estreitas em relação à temperatura de vazamento e composição química.
Os fornos de vazamento com aquecimento indutivo, esvaziamento pneumático e dosagem por meio de controle do tampão também satisfazem estes requisitos.
Nos equipamentos de vazamento com esvaziamento pelo tampão, que trabalham sem pressão, existe um nível do banho decrescente na área da bacia de vazamento, o que não acontece no caso da aplicação da pressão.

Comparação entre o forno e o equipamento de vazamento

Aqui foram comparados um equipamento de vazamento com esvaziamento por basculamento e um forno de vazamento com aque- cimento por indução.
Os fatores a favor do equipamento de vazamento são em especial a possibilidade de uma troca rápida da liga e do recipiente, assim como um revestimento refratário mais simples.
A troca da panela deve ser realizada após aproximadamente 10 min, devido à perda de temperatura. Esta troca demora aproximadamente 1 min, tempo considerado de parada da produção.
Equipamentos deste tipo são especialmente apropriados para instalações de moldagem com tempos de ciclo mais longos e um peso de vazamento pequeno a médio.
As vantagens dos fornos de vazamento são uma menor perda da temperatura e o alcance de uma temperatura constante, além da precisão da análise, armazenamento mais longo do metal líquido e o fato do enchimento ser realizado sem a interrupção do vazamento.

Fig. 2 - Desenvolvimento de um equipamento de inoculação

Fornos de vazamento para ferro fundido

Tamanhos construtivos

Quando se observa os dados relativos à manutenção da temperatura, fica evidente que os fornos de vazamento são executados com uma potência de superaquecimento mais alta, em comparação com o forno a canal.
Normalmente, é possível realizar um superaquecimento de 90 a 110 K em 1 h, o que pode ser atribuído ao fato do forno de vazamento realizar um superaquecimento em pouco tempo, quando a temperatura de vazamento é baixa. O objetivo é alcançar a temperatura de vazamento desejada o mais rápido possível após o reabastecimento com o metal líquido novo.
O baixo volume de armazenagem não é suficiente para o equilíbrio térmico necessário, particularmente quando o forno de vazamento é esvaziado até o lastro.
No entanto, há casos que requerem potências de superaquecimento mais altas. Com vistas a esta análise, uma instalação com forno de vazamento de 5 t foi equipada com um módulo de controle de 1.000 kW, para alcançar um aumento da temperatura de 90 K em aproximadamente 4 min.
Para obter um equilíbrio térmico rápido entre o ferro no sifão de alimentação e na carcaça do forno, a pressão do equipamento foi reduzida e aumentada em seguida.
Aqui, convém mencionar que na fundição de ferro tratado com magnésio, procura-se obter uma potência de superaquecimento mais alta.
A potência do indutor deve ser aumentada em cerca de 50 kW, para evitar a formação de resíduos de escória do óxido de magnésio.

Aquecimento

O indutor de canal com calha em forma de U, localizado na parte lateral ou no fundo, serve para a conservação da temperatura e o sobreaquecimento do metal líquido. A tendência, nesse caso, é a disposição do indutor no fundo da carcaça, particularmente para o ferro fundido nodular.
O emprego de indutores sem núcleo em forma de cadinho (indutor de cadinho) oferece vantagens principalmente em relação à limpeza, mas o seu consumo de energia é ligeiramente maior.
A dissipação do calor perdido da bobina e o resfriamento do indutor são realizados normalmente com um resfriamento em água. Como a faixa de potência dos indutores pode alcançar entre 150 e 1.200 kW, é necessário adaptar o projeto e a geometria do canal à respectiva faixa de potência.
O fornecimento da potência elétrica para fornos de vazamento é realizado principalmente por equipamentos de comutação robustos, de frequência de rede.
Em alguns casos, são utilizadas também instalações com conversores baseados na tecnologia IGBT (transistor bipolar com porta de isolamento).
Outras possibilidades da técnica de comutação da tecnologia IGBT, tais como a frequência variável ou uma alimentação de potência comum para dois fornos diferentes, não encontraram aplicação prática em fornos de vazamento até o momento.

Fig. 3 - Equipamento de vazamento com recipiente duplo de troca rápida.

Controle e regulagem do processo

O equipamento padrão utilizado nesse meio tempo consiste em um sistema de controle do processo e visualização baseado em PC, para o monitoramento, controle e operação de todas as unidades do forno de vazamento.
Estes sistemas também possibilitam o armazenamento e gerenciamento dos dados operacionais e sua transmissão.
A precisão da dosagem é determinada, entre outros fatores, pelas características técnicas do controle do tampão e do acionamento. Portanto, o trabalho preciso do acionamento do tampão requer uma alta velocidade de regulagem e precisão.
Outros requisitos são uma força de fechamento ajustável e regulada do tampão, correção automática do desgaste do bocal, equipamentos para a limpeza do bocal e para o escareamento do tampão.
O acionamento elétrico do tampão desenvolvido pela Otto Junker (Alemanha) atende a esses requisitos com alta confiabilidade.
Neste novo controle, o tampão é movido por um atuador linear real, via força magnética. O único componente móvel é o tubo de acionamento (parte secundária), com ranhura em forma de espiral.
Entre este e um estator de eixo oco (parte primária, pacote de chapas bobinado de dois polos), existe uma fenda de ar definida. Desta forma, este acionamento trabalha praticamente sem desgaste.
Em caso de uma eventual falta de energia, o tampão é deslocado para baixo pelo seu próprio peso, devido ao autobloqueio reduzido do atuador linear, fechando o bocal de vazamento.
Um dispositivo de alavanca integrado permite levantar o tampão manualmente.
Com o desligamento do controle do tampão após o fim da produção, o atuador linear também levanta o tampão. Em seguida, ocorre o desligamento automático da unidade de potência do acionamento.
Durante a ligação do controle do tampão, a unidade de potência é ligada e o atuador linear desloca o tampão automaticamente (do dispositivo de retenção para o bocal de vazamento).
Ali ele é pressionado contra o bocal de vazamento com uma pressão ajustável e regulada. Desta maneira, o desgaste do tampão e/ou do bocal é corrigido automaticamente, até um limite de desgaste ajustável.
Também foi testado o emprego de um novo sistema de câmera para a medição do nível de enchimento na bacia de vazamento, e da regulagem da capacidade de vazamento.
A construção do sistema de vazamento com inclusão de um painel de controle completo possibilitou um teste realístico do sistema.
Os resultados em condições industriais revelaram uma alta precisão de dosagem. O nível predefinido na bacia de vazamento foi mantido de modo confiável. Nesse meio tempo, o novo acionamento do tampão foi utilizado com sucesso em alguns projetos, em conjunto com o novo sistema de câmera.
Para obter um efeito metalúrgico aprimorado, com a inoculação no jato de vazamento, durante todo o processo de fundição é necessário adicionar uma quantidade definida e controlada do agente de inoculação no jato.
O controle da qualidade exige que a quantidade do agente de inoculação seja registrada e documentada. Para tanto, foi desenvolvido e testado o conceito de uma nova geração de dispositivos.
O novo dispositivo de inoculação (figura 2) funciona da seguinte maneira: Depois da dosagem preliminar em um reservatório intermediário, é efetuada a dosagem fina em um dispositivo de pesagem de precisão, utilizando-se um acionamento por rosca sem-fim com frequência controlada, para o controle exato e o registro da quantidade de inoculante.
Com este sistema, é possível regular a taxa de inoculação e armazenar a quantidade de agente de inoculação pesada em cada vazamento.
Para o controle e regulagem, é utilizado um controlador lógico programável (CLP).
A funcionalidade desse sistema foi comprovada em testes abrangentes, nos quais foi alcançada uma dosagem de alta precisão.

Fig. 4 - Representação esquemática da instalação de um forno de fundição a baixa pressão

Execuções especiais de vazamento

O vazamento direto na bacia de vazamento do molde utilizando um sistema de tampão único controlado não é possível em alguns casos. Isso acontece quando:

Nestes casos, é necessário usar conceitos com base em tampões duplos, panelas intermediárias ou canais de distribuição.
No caso da produção de duas peças fundidas diferentes em uma caixa de moldagem com canais de descida separados, é necessário utilizar um sistema com tampões duplos (sistemas triplos também já foram utilizados).
Isso também ocorre quando o trabalho é realizado com dois canais de descida por peça fundida. Neste caso, os canais de descida podem ser abastecidos com ferro, em paralelo ou sucessivamente.
Quando é necessário abastecer duas caixas de moldagem ao mesmo tempo, também é possível usar uma solução com tampões duplos.
Em uma instalação de moldagem automática com alta produtividade e, consequentemente, curtos tempos para o processo de moldagem, o tempo de ciclo pode ser mais curto do que o de vazamento. Com o emprego de panelas intermediárias que acompanham o movimento, é possível manter o tempo de vazamento necessário.
Uma solução alternativa é duplicar o tempo de vazamento por meio do avanço de dois bolos ou duas caixas de moldagem em conjunto, de modo que o tempo de ciclo abranja dois processos de moldagem. Isso atende à necessidade de se abastecer dois moldes ao mesmo tempo, cuja posição da bacia de vazamento pode ser diferente.

Substituição da liga e troca rápida do recipiente de fundição

Como o forno de vazamento é uma unidade normalmente aquecida por um indutor de canal, no passado evitavase esvaziar o indutor sob quaisquer circunstâncias, no ca so de uma substituição da liga. Assim, sempre havia um lastro de material fundido no forno, que dificultava o controle da composição química do metal.
Recentemente, algumas fundições esvaziam totalmente o forno de vazamento, às vezes até diariamente. Desta forma, a substituição do ferro fundido cinzento pelo nodular pode ser realizada rapidamente e sem problemas.
No entanto, o processo deve ser realiza do de modo meticuloso e reproduzível, em termos do controle do tempo e da temperatura.
Os novos revestimentos refratários do indutor ou do recipiente de fundição e outras medidas de reparação e manutenção requerem uma troca mais ou menos frequente do recipiente de fundição. Esta troca é demorada, podendo resultar em tempos de parada da instalação de moldagem.
A possibilidade de se realizar uma troca do recipiente em curto prazo, em um forno de vazamento operado a pressão, exigiu modificações do projeto original.
Elas foram realizadas de forma que o recipiente recebeu uma plataforma adicional, que permite a sua retirada sem a moldura basculante (figura 3).
Todos os equipamentos auxiliares, tais como o abastecimento de ar comprimido e o acionamento do tampão permaneceram na estrutura ou são basculados para o lado, enquanto as conexões elétricas e de água foram separadas por meio de engates rápidos.

Nova tecnologia de processo

Os requisitos para a produção de peças fundidas de alta qualidade, com espessura de parede reduzida, impulsionarão o uso da tecnologia de fundição a baixa pressão também no campo do ferro fundido.
O princípio básico (figura 4) consiste na aplicação de pressão na parte interna da carcaça do forno, enquanto o metal líquido é introduzido no molde, pela parte inferior.
Como a capacidade de vazamento é determinada pela evolução da pressão e não apenas pela capacidade de absorção do molde, é possível controlar a curva de vazamento ativamente.
As vantagens desta tecnologia podem ser resumidas da seguinte forma:

Neste caso, deve-se considerar girar o molde após o término do vazamento, fechar a área de vazamento com uma gaveta, ou prolongar o tempo de ciclo até a solidificação do metal líquido na área de vazamento.
No ramo da fundição de aço, já existem algumas instalações de teste que trabalham com esta tecnologia, em especial para a fabricação de carcaças de turbina de turbocompressores.

Conclusões

A tecnologia dos fornos de vazamento comprovou sua competência em numerosas aplicações.
As evoluções e tendências indicadas confirmam as possibilidades de melhorias adicionais, otimização desta tecnologia e exploração de novos campos de aplicação.