Filtros de espuma cerâmica, para fundidos de grande porte

Este trabalho aborda o emprego de diferentes tipos de filtros de espuma cerâmica para a filtragem de ferro fundido e aço. O fato de alguns destes métodos estarem atingindo o seu limite, no caso da fundição de peças de grande porte, levou ao desenvolvimento dos filtros tubulares, com geometrias variadas.


Ulrich Voigt e Lee Horvath

Data: 01/06/2017

Edição: FS Junho 2017 - Ano 27 - No 294

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Fig. 1 - Filtros prensados e filtros extrudados

Devido aos requisitos crescentes por peças fundidas de alta qualidade, uma filtração eficiente e, acima de tudo segura, tornou-se indispensável. Isso vale especialmente para peças de grande porte, com espessura de parede grossa.
Muitas vezes, o emprego de filtros convencionais em forma de placas redondas ou quadradas apresenta restrições e riscos de segurança, que se manifestam frequentemente na ruptura do filtro.
Para eliminar este risco, a ASK Chemicals desenvolveu filtros de espuma cerâmica com formato tubular, os quais podem ser utilizados na fundição de aço e ferro fundido.
Os primeiros testes realizados em parceria com uma fundição alemã especializada em fundidos altamente solicitados para usinas eólicas revelaram que estes filtros apresentam vantagens consideráveis, em comparação com aqueles em formato de placa.
O risco de ruptura dos filtros foi reduzido de modo eficiente, possibilitando simplificar o manuseio e aumentar a sua superfície efetiva.
Além disso, as faces frontais dos filtros tubulares foram completamente vedadas, de modo que uma possível quebra das bordas superiores ou inferiores tornou-se praticamente impossível, excluindo o risco de inclusões do material filtrante no molde de fundição.
As avaliações dos testes mostraram que a estrutura do filtro não apresentou nenhuma distorção, deformação ou formação de trincas após a alta solicitação durante o fluxo de muitas toneladas de metal.
Os filtros tubulares de espuma cerâmica são apropriados para a filtração segura de grandes volumes de metal.
Entre as vantagens deste projeto, destacam-se uma superfície de filtração mais de três vezes maior do que a dos filtros convencionais do mesmo tamanho, risco mínimo de ruptura, construção compacta e instalação rápida.
Adicionalmente, foi desenvolvida uma carcaça universal para este tipo de filtro, que pode ser utilizada tanto na fundição de ferro fundido, como de aço. Ela é pequena e compacta.
O conceito prevê a utilização de apenas um filtro tubular por carcaça, o que reduz a complexidade e o número de componentes necessários para um sistema de filtração eficiente, seguro e estável.

Fig. 2 - Exemplo de porta-filtro

A filtragem de metais fundidos

Esta prática é diária na indústria de fundição.
Muita coisa aconteceu desde o desenvolvimento dos primeiros filtros, os quais eram testados em metais com baixo ponto de fusão.
Na época, os ensaios evidenciaram que as inclusões não metálicas podem ser removidas com o emprego de filtros, permitindo a fabricação de peças fundidas de qualidade e características físicas melhores.
Desde então, a tecnologia de filtragem foi aperfeiçoada e testada com uma variedade de outros óxidos metálicos.
Desta maneira, tornou-se possível avançar em aplicações nas quais os filtros não eram inicialmente empregados, em razão das temperaturas elevadas e tempos de vazamento.
Nesta época, foram produzidas as primeiras peças fundidas em ferro e aço com a utilização da tecnologia de filtragem.
Foram desenvolvidos vários tipos e execuções diferentes de filtros, que incluíram os do tipo peneira simples, os filtros prensados e extrudados (figura 1).
Vários estudos e artigos já constatavam que o filtro de espuma cerâmica apresentava a estrutura de filtragem mais eficiente.
A estrutura neste tipo de filtro cerâmico consiste em uma rede porosa e passante de cavidades, cujos poros são compostos de células em forma dodecaédrica.
O banho metálico passa continuamente por estes canais tortuosos e entrelaçados.
Com essa estrutura cerâmica de óxidos de alto rendimento, tornou-se possível aprimorar os materiais para a filtração de ligas metálicas a temperaturas superiores a 1700°C.
O material cerâmico mais apropriado para a filtração de ligas de aço e ferro fundido é o PSZ/Mg; um dióxido de zircônio parcialmente estabilizado com óxido de magnésio como agente de estabilização.
Este material possui uma excelente resistência ao choque térmico, além de uma resistência química, mecânica e térmica muito boa.
Ele suporta mudanças bruscas de temperatura até mais de 1700°C, sem fluência ou se fundir.
Trata-se de um material inerte, que resiste às influências corrosivas das ligas e escórias com as quais ele entra em contato.

Os processos de filtração atuais, para fundidos de grande porte

O uso de filtros na produção de peças fundidas de grande porte requer superfícies de filtração correspondentemente extensas, para uma filtração eficiente.
Como a capacidade do filtro é especificada normalmente em quilogramas por unidade de superfície ou unidade de superfície e tempo, é necessário utilizar uma superfície de filtração devidamente dimensionada. E isso é um grande desafio no caso da filtração de toneladas de metal, tanto para o usuário como para o fabricante do filtro.
Quando é necessário fundir, por exemplo, uma peça de 12 t utilizando-se filtros de espuma cerâmica, é necessária uma superfície de filtração em torno de 3 mil a 3.334 cm2, ou mais.
Esse valor é determinado e predefinido pela capacidade média do filtro.
Quando a superfície de filtração necessária é aplicada em um filtro padronizado, é necessário usar pelo menos 14 elementos filtrantes com uma superfície de 150 x 150 mm. Este é um valor teórico, que na prática normalmente é maior.
Em circunstâncias normais, não é possível reduzir o número de filtros até que ele corresponda exatamente à quantidade predefinida pelo técnico, e seja ideal para o número de canais de ataque em questão.
O ideal é abastecer cada canal com um filtro (ou sistema de filtração), que deve ficar próximo um do outro.
A fabricação de filtros de grande porte consiste em um empreendimento técnico exigente, que até então não era economicamente viável.
Por estas razões, foram percorridos os mais diversos caminhos para o emprego de filtros em peças fundidas com grandes dimensões.

Fig. 3 – O carrossel de filtro combina as vantagens do porta-filtro e da grande superfície de filtração

Filtros em fileira

Este método de instalação é largamente difundido, podendo ser encontrado especialmente em fundições de ferro.
Os filtros são arranjados lado a lado, com a finalidade de alcançar a capacidade de filtragem necessária.
Neste caso, é possível reconhecer os filtros instalados lado a lado, sem suportes adicionais nas juntas.

Filtros com grandes dimensões

Filtros com grandes dimensões também são apropriados para a filtração de grandes volumes de metal.
Eles podem ter até 300 mm de diâmetro.

Porta-filtro especial

O emprego de porta-filtros de chamote ou outros materiais refratários (figura 2) é outra possibilidade para a filtragem de quantidades elevadas de metal líquido.
Os fundidores têm utilizado porta-filtros para filtros com até 250 mm de diâmetro.
A vantagem é que estes elementos podem ser facilmente conectados em sistemas de vazamento pré-fabricados.

Carrossel de filtro

O emprego de unidades especialmente desenvolvidas, tais como o carrossel de filtro, possibilitou a combinação das vantagens do porta-filtro e das grandes superfícies de filtração em peças fundidas de grande porte (figura 3).
Isso resultou em um aumento do volume de filtração em um único componente.
O carrossel de filtro pode ser montado diretamente em sistemas de vazamento padronizados, de modo análogo ao porta-filtro, tendo em vista que as conexões necessárias estão disponíveis.
Outra vantagem é a disponibilidade destes tipos em diferentes tamanhos, de forma que a fundição pode escolher o modelo mais apropriado para a respectiva peça fundida e o correspondente volume de metal a ser empregado.

Fig. 4 - Filtro de tamanho grande, justado na parte inferior do massalote

Restrições e problemas nos processos de filtração

As possibilidades de aplicação de todos os sistemas mencionados são restritas.
Todos têm pontos fracos, que também podem resultar em uma peça fundida contaminada ou em sucata de ferro fundido.
As desvantagens dos sistemas atualmente utilizados serão descritas mais detalhadamente a seguir.

Filtros em fileira

Este método de filtração é largamente difundido, sendo encontrado especialmente em fundições de ferro.
Os filtros são alinhados, até alcançar a capacidade necessária.
O usuário pode arranjar os filtros em uma fileira (economia de espaço) ou utilizar produtos padronizados. Em princípio, este método isso seria bastante vantajoso, se não houvesse alguns pontos negativos:

O perigo de falha do filtro, em razão de uma solicitação irregular, não deve ser subestimado. Isso é agravado pelo apoio estrutural faltante nas juntas dos filtros.
Durante o alinhamento podem ser arrancadas partículas da superfície do filtro, que acabam se alojando no molde.
A simulação revelou uma distribuição irregular da corrida de metal, quando do uso alinhado dos filtros.

Filtros com grandes dimensões

A solução ideal seria a utilização de poucos filtros com dimensões maiores, pois poucas unidades seriam necessárias para cobrir os canais de ataque.
Estes filtros podem ser instalados relativamente próximos da peça fundida e dos canais de ataque.
No entanto, a partir de um determinado tamanho, a produção de filtros de espuma cerâmica com os recursos atuais deixa de ser econômica ou mesmo possível.
Os filtros de espuma cerâmica para a fundição de ferro e aço podem ser fabricados com até 300 mm (figura 4), enquanto aqueles para metais não ferrosos têm até 600 mm.
No entanto, com um tamanho crescente do filtro, também é necessário aumentar a sua espessura.
Com isso, o risco de bloqueio aumenta drasticamente, pois o filtro não é suficientemente aquecido no início do vazamento, o que provoca a solidificação do banho ainda no filtro.
Filtros de grandes dimensões são muito econômicos quando a fundição trabalha com o processo de vazamento direto, com o uso de massalotes.
Com a eliminação de uma grande parte do sistema de vazamento, é possível produzir fundidos de modo muito econômico.

Fig. 5 - Construção de quatro carrosséis de filtros

Entretanto, as fundições muitas vezes são forçadas a passar o máximo possível de metal pelo filtro, devido à pressão de custos. A consequência pode ser a ruptura instantânea do filtro.
As desvantagens deste método podem ser resumidas da seguinte forma:

Porta-filtro especial

A utilização de porta-filtros especiais, confeccionados em material refratário, pode parecer adequado à primeira vista.
Entretanto, uma análise mais profunda revela que esta variante também é propensa a falhas na produção de fundidos de grande porte.
No emprego de um porta-filtro, geralmente é necessário usar uma seção transversal muito grande, para obter uma filtragem eficiente. Neste caso, o problema recorrente é a filtragem de uma quantidade correspondentemente grande de metal, de modo eficiente.
Os filtros podem ser fabricados apenas até um determinado tamanho. Portanto, ele normalmente oferece apenas uma parte da superfície de filtração efetiva necessária.
Por isso, é preciso utilizar vários filtros e, consequentemente, vários porta-filtros (pelo menos um por filtro).
A figura 5 ilustra um porta-filtro típico. Este sistema só é capaz de filtrar uma determinada quantidade de metal durante a operação, até o esgotamento da sua capacidade.
Um aumento desta capacidade somente pode ser alcançado com o emprego de vários porta-filtros, o que resulta em um arranjo em fileira.
Além disso, pode ocorrer uma solicitação excessiva, que resulta na distorção e na subsequente falha (ruptura) do filtro.
Em resumo, é possível mencionar as seguintes desvantagens deste método:

Fig. 6 - Construção de um filtro tubular, com a carcaça próxima do canal de ataque

Fig. 7 - Carcaça para filtro de forma tubular, com o filtro colocado

Carrossel de filtros

Com o lançamento do carrossel de filtros no mercado, pela primeira vez conseguiu-se filtrar grandes quantidades de metal líquido de modo eficiente.
Por meio de um sistema individual, projetado para a utilização em sistemas de vazamento pré-formados de material refratário, é possível filtrar várias toneladas de metal líquido.
Em contrapartida, o carrossel de filtros possui uma construção relativamente pesada e dificilmente manejável.
Apesar da possibilidade de usar tamanhos padronizados, a construção do sistema total tornou-se complicada.
Outros fatores são as dimensões e o peso do carrossel, que resultou em trabalhos de instalação demorados e bastante complicados no molde.
O peso do carrossel de filtros é outra desvantagem. Embora ele seja apropriado para a filtração de grandes quantidades de metal fundido (4 a 8 t), ele só pode ser montado com o auxílio de várias pessoas ou com um guindaste.
A montagem e conexão do sistema ilustrado na figura 5 requereu o emprego de três trabalhadores, por aproximadamente 90 min.
Este sistema “engole” grande quantidade de metal líquido, em razão das suas dimensões, o que exige uma maior capacidade de fusão. Ele também produz uma quantidade maior de retornos.
Neste caso, a ocorrência de fraturas nos cantos do filtro foi avaliada como muito crítica.
O perigo de quebra dos cantos é um grande risco quando eles são expostos a pressões curtas.
Em resumo, é possível listar as seguintes desvantagens:

Filtros com geometrias especiais Filtro tubular

Todos os sistemas de filtragem mencionados até aqui apresentam uma característica comum muito pronunciada e perigosa: o risco de ruptura.
Este é o pior dos cenários, resultando frequentemente no sucateamento da peça afetada.
O objetivo, portanto, era projetar um filtro que oferecesse proteção confiável a este problema.
A solução foi encontrada no desenvolvimento de um filtro tubular, para a fundição de ferro e aço.
Esta execução do filtro de espuma cerâmica compreende as vantagens conhecidas da espuma cerâmica, além de outras propriedades muito úteis.
Este tipo de filtro é produzido em diferentes versões, podendo ficar aberto em ambos os lados ou em apenas um.
Além disso, é possível adaptar o seu comprimento e/ou o diâmetro à respectiva aplicação. Naturalmente, eles também podem ser fabricados nas porosidades e materiais conhecidos, nos quais os filtros de espuma cerâmica com estrutura alveolar são fornecidos.
Algumas das vantagens dos filtros tubulares são:

Fig. 8 - Esquema de funcionamento da carcaça

Entre todas as diversas vantagens deste tipo de filtro, uma se destaca em particular: a segurança.
O risco de ruptura é reduzido para um mínimo, graças à sua estrutura compacta.
A forma geométrica do cilindro é um projeto extremamente eficiente.
O fluxo do banho no filtro tubular ocorre de fora para dentro, o que significa que todas as pressões hidrodinâmicas e ferrostáticas atuam na superfície externa do filtro, sendo retidas pela geometria autossuportável do cilindro.
Desta maneira, o risco de ruptura do filtro é realmente reduzido.
Ao mesmo tempo, esta geometria permite multiplicar a superfície do filtro. Isso resulta em um aumento real da superfície de filtração, com demanda de espaço reduzida.

Filtro com geometria especial – Carcaça

Apesar da utilização e instalação do filtro tubular dentro do molde de fundição diferirem daquelas do filtro padronizado, elas não são mais difíceis.
Na realidade, a instalação deste tipo de filtro é simples, pois as versões tubulares foram projetadas para uma instalação descomplicada, perto da cavidade do molde.
Eles inclusive podem ser colocados próximos ao canal de ataque (figura 6).
Quando o sistema de vazamento consiste em elementos pré-fabricados, é melhor utilizar uma carcaça apropriada para isso.
Assim, o desenvolvimento de uma caraça adequada e altamente resistente foi uma consequência óbvia. Ela permitiu um sistema de filtração único e confiável para a produção de peças em aço e ferro fundido de grande porte.
Este sistema de filtração seguro também é apropriado para metais não ferrosos.
Ele reúne as vantagens dos filtros tubulares de espuma cerâmica para peças fundidas de grande porte, com as propriedades superiores dos sistemas de vazamento fechados, permitindo a filtração de várias toneladas de metal de uma só vez.
O conceito prevê utilizar apenas um filtro tubular por carcaça, reduzindo a complexidade e o número de componentes, com a melhora simultânea da segurança e estabilidade do sistema.
Em virtude do leiaute do filtro tubular e da carcaça, foi possível praticamente eliminar o risco de ruptura do filtro.
A entrada tangencial do metal fundido através da carcaça melhora a capacidade de filtração, uma vez que a área do filtro é mantida livre de impurezas grosseiras por mais tempo.
Em combinação com os filtros tubulares de espuma cerâmica, o sistema pode ser montado facilmente, sem adesivos adicionais ou procedimentos demorados.
Com a utilização de várias carcaças por peça fundida, aumenta-se a capacidade do sistema, permitindo a filtração de grandes quantidades de metal com segurança.
Por meio de duas saídas opcionalmente fecháveis, é possível usar uma única versão para todas as posições de montagem.
Assim, o processo é aprimorado e simplificado ainda mais, reduzindo os estoques desnecessários do usuário.
Um sistema de carcaça é composto por uma parte superior, outra inferior e um tampão (figura 7).
A carcaça consiste em um concreto altamente refratário, com excelente resistência à abrasão.
O banho a ser filtrado entra na carcaça e circula através do filtro até a saída ou, alternativamente, até as duas saídas (figura 8).
As vantagens deste sistema são:

Simulação

Os filtros tubulares com carcaça projetada também podem ser reproduzidos em um software de simulação correspondente.
Para isso, os dados tridimensionais dos filtros tubulares e de suas carcaças foram calculados para este software, juntamente com a criação de um modelo (figura 9).

Estudo de caso

O filtro tubular foi utilizado pela primeira vez em 2012.
Naquela época, foram realizados e avaliados os primeiros testes, e também foram feitas algumas melhorias.
As peças fundidas produzidas com estes filtros pesam entre 2 e 22 t.
A seguir serão citados dois estudos práticos.

Estudos de caso 1

O primeiro caso envolve o emprego de filtros tubulares em uma grande fundição de ferro.
Ela fabrica peças de grande porte em ferro fundido nodular, com diferentes dimensões e pesos, em especial para usinas eólicas.
Para satisfazer os inúmeros requisitos destes fundidos, os filtros de espuma cerâmica também são utilizados neste caso. Eles aumentam a pureza do banho fundido, graças à eliminação de inclusões não metálicas, além de reduzirem a turbulência no sistema de vazamento.
O trabalho é realizado com sistemas de vazamento de elementos pré-fabricados, especialmente na produção de peças fundidas de grande porte.
Em muitos casos, são utilizados vários canais transversais compridos até os canais de ataque. Isso pode favorecer a ocorrência de turbulências, além de aumentar o risco da formação de produtos da reoxidação no banho.
Na instalação original, foram utilizados filtros de espuma cerâmica para peças de grande porte. Tratava-se de filtros em forma de placas quadradas ou retangulares.

Fig. 9 - Simulação de vazamento e solidificação, com sistema de filtração otimizado

Para cada operação foram utilizados vários desses filtros, de acordo com a quantidade necessária de banho.
As peças foram fabricadas no ferro fundido nodular (EN-GJS-400).
Inicialmente, o molde foi equipado com filtros padronizados em forma de placas, com porta-filtros especiais confeccionados em materiais refratários.
Isso resultou em bloqueios dos filtros e na formação de trincas, o que aumentou o índice de rejeição.
Neste ponto, foi necessário encontrar e implementar uma solução melhor, mais consistente e mais segura para a filtração.
Foi aí que os filtros tubulares entraram.
Primeiramente, foram fornecidos alguns filtros de amostra. Era a primeira geração de filtros tubulares.
Os primeiros exemplares foram testados com sucesso, mas ainda havia potencial para melhoras, que incluíram a introdução de um revestimento superficial (figura 10) nas faces frontais.
Na montagem das primeiras unidades, ficou evidente que alguns poucos “dedos” cerâmicos foram removidos da estrutura alveolar. Este fenômeno ocorreu apenas nas faces frontais, pois a estrutura do filtro e a carcaça cerâmica entravam em contato neste ponto, o que resultou no rompimento de algumas partículas do filtro.
Para evitar isso, as faces frontais dos filtros tubulares foram confeccionadas com um revestimento adicional nos cantos.
Com isso, foi possível evitar o rompimento dos “dedos do filtro” durante a montagem, tornando o seu manuseio bem mais seguro. Isso se revelou muito útil e seguro.
Após a introdução do revestimento dos cantos e a conclusão de uma fase de testes prolongada na fundição, ficou evidente que era possível alcançar excelentes resultados com este tipo de filtro também a longo prazo.
Nenhum deles falhou e também não houve problemas em relação ao seu bloqueio ou ruptura.
A fundição reconheceu também que o número de canais de distribuição necessários pode ser reduzido com sucesso.
Esta vantagem de um rendimento maior é especialmente importante na fundição de peças de grande porte, com peso de vazamento superior a 20 t.
Hoje em dia, esta fundição está utilizando filtros de diferentes tamanhos e comprimentos.
O tamanho exato depende das dimensões das peças fundidas e dos volumes de vazamento.
O peso aproximado por peça fundida é normalmente de 16 t, mas pode variar.
O desempenho dos filtros é excelente.
Com o auxílio dos filtros tubulares, a fundição conseguiu melhorar os seus resultados, além de reduzir as taxas de ruptura para quase zero.
Desde então, este tipo de filtro está sendo usado diariamente, com sucesso.

Estudos de caso 2

O segundo estudo de caso refere-se à utilização dos filtros tubulares em uma fundição de aço. Dessa vez, em combinação com a carcaça Exactfill.
Durante a fabricação da peça fundida, foram observadas várias falhas na superfície da peça.
Algumas delas foram classificadas como defeitos abaixo da superfície, causados principalmente por inclusões não metálicas e, provavelmente, turbulências excessivas.
Estes defeitos só podiam ser removidos com um esforço de retrabalho considerável, para que fossem obtidas peças fundidas em condições comercializáveis.
Para resolver o problema, foi necessário executar várias etapas, que incluíram não apenas o lixamento e a soldagem dos pontos defeituosos, mas também vários tratamentos térmicos adicionais.
Para reduzir as inclusões não metálicas, foi recomendado o emprego de filtros.
Neste caso, era necessário atender às seguintes condições e especificações:

Fig. 10 - Revestimento superficial nas respectivas faces frontais dos filtros tubulares

Todas estas exigências resultaram na utilização de um filtro tubular com um novo sistema de carcaça.
Com este sistema, foi possível comprovar as suas capacidades da melhor maneira.
O material do filtro (dióxido de zircônio) possui as propriedades necessárias para suportar as temperaturas e pressões existentes em um sistema de vazamento como este.
Os filtros tubulares e o sistema de carcaça de material refratário com um alto teor de alumina são a escolha ideal para este tipo de desafio.
Isso se aplica especialmente porque a fundição utilizou um sistema de vazamento padronizado, com elementos pré-fabricados, e a carcaça era montada de modo simples, pois as suas entradas e saídas foram projetadas para a conexão nestes sistemas. A conversão foi realizada de modo rápido e descomplicado.
Durante o vazamento com o sistema de filtração instalado, a fundição não conseguiu detectar qualquer prolongamento significativo do tempo de vazamento.
O intervalo de tempo para o enchimento do molde sem e com filtro foi praticamente o mesmo.
As inclusões não metálicas foram significativamente reduzidas com o emprego deste sistema de filtração, o que resultou em um retrabalho menor e em um maior rendimento.

Conclusões

Um novo sistema aprimorado para a filtração de grandes quantidades foi testado em diversas fundições.
Este novo sistema oferece inúmeras vantagens em relação aos processos predominantes com filtros padronizados.
Eles podem sim falhar, mas quando não utilizados e dimensionados de acordo com a aplicação, ou seja, quando não apresentam a resistência necessária.
O emprego de filtros tubulares possibilita um aumento significativo da segurança para o fundidor de metais, que investe grandes somas de dinheiro e muito tempo na fundição de peças de grande porte.
Com este novo sistema, o fundidor tem à sua disposição uma ferramenta simples e eficiente.
As fundições passaram a ter a possibilidade de utilizar filtros de espuma cerâmica com geometrias específicas, aproveitando todas as vantagens da filtração do metal líquido, sem a preocupação com a ruptura dos filtros.