Artigo elaborado por StrikoWestofen GmbH
Fornos de fusão de alumínio para fundição

Autores:
Dipl.-Ing. Klaus Malpohl, Gerente de Desenvolvimento, StrikoWestofen GmbH
Dipl.-Ing. Rudolf Hillen, Desenvolvimento de Tecnologia de Fusão, StrikoWestofen GmbH
Tradução Técnica: Eng. Miguel Abate Junior ­ AICHELIN BRASIL Ltda.

Perfil resumido da StrikoWestofen GmbH

De acordo com o lema da empresa "Soluções para Engenharia do lingote ao molde", a StrikoWestofen GmbH fornece aos clientes da indústria de fundição soluções sob medida para fusão e dosagem de alumínio , magnésio e zinco. Nosso amplo leque de produtos para ligas de alumínio compreende fornos de fusão e espera da série StrikoMelter®, fornos de espera e dosagem da série Westomat®, fornos tipo cadinho, fornos de espera com tanque anexo, fornos fundição sob baixa pressão e uma gama completa de acessórios de fundição, como dispositivos de purga de gás, equipamento de pré-aquecimento, panelas, etc. A StrikoWestofen também possui o know-how para fabricar instalações "chave na mão", customizadas ao longo da cadeia completa de processos, da fusão via tratamento inline até o vazamento do metal fundido. Além disso, a StrikoWestofen oferece um portfolio abrangente de serviços, incluindo manutenção e serviços refratários, logística de peças de reposição e otimização de instalações existentes. Para processos de fusão de magnésio, a StrikoWestofen pode fornecer a tecnologia completa da planta, desde a separação do lingote via instações de pré-aquecimento aos os fornos de fusão e dosadores.
Os equipamentos são fabricados em locais da Alemanha - em Wiehl-Bomig e na Polônia. Desde 2000, instalações completas têm sido fabricadas em plantas modernas e certificadas na Polônia e enviadas por navio, encontrando a aceitação sem ressalvas dos clientes. Subsidiárias nos EUA, Inglaterra, China e Brasil (AICHELIN BRASIL Ltda., licenciado exclusivo para fabricação e fornecimento das soluções StrikoWestofen para o Mercosul) também possuem instalações certificadas para fabricação própria, suprindo os seus mercados locais. Uma rede mundial de serviços garante a disponibilidade de todo serviço necessário, desde a montagem de equipamentos até a logística de peças sobressalentes, em qualquer local em que houver clientes StrikoWestofen. A oferta dos serviços inclui montagem e colocação em funcionamento das linhas de fornos; produção orientada para os serviços no local, 24 h assistência e fornecimento de peças de reposição e de desgaste. A Academia StrikoWestofen oferece produtos específicos e treinamento individual no cliente, garantindo que a equipe operacional e de serviços estejam sempre bem treinadas e atualizadas com os últimos desenvolvimentos.
Endereços:
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Fatores de custo na Fundição

A situação de custo da fundição é fortemente influenciada pela eficiência da central de fusão de metal. Como os metais não-ferrosos processados na fundição são muito caros, a perda metálica é um importante fator de custo. Para alumínio, a perda metálica de 1% de uma fusão anual de 5.000 toneladas corresponde a uma perda financeira de mais de R$200.000 (est. R$4/kg). Considerando rendimento de 50%, esta quantia deve ser atribuída um total de 2.500 toneladas de peças fundidas. Conseqüentemente, a perda metálica significa custo extra de 10 a 20 centavos para cada quilo de fundido. Esta magnitude não deve ser negligenciada.
Além disso, o consumo de energia pode variar bastante dependendo do processo de fusão utilizado. Não somente a eficiência da planta propriamente dita, mas todos os outros fatores que afetam o consumo total devem ser considerados, incluindo todas as fontes de energia auxiliares. Da mesma forma todo o custo relacionado à manutenção e peças de desgaste devem ser incluidos nas considerações de custo, bem como o empenho associado com a operação das plantas. Consideráveis reduções de custo podem ser percebidas, por exemplo, quando se utilizam dispositivos mecânicos capazes de transportar e carregar containers, ao invés de utilizar carregamento manual.
Outro aspecto importante é a qualidade do metal produzido pelas plantas de fusão e espera, pois essa é uma condição essencial para uma fundição de alta qualidade. O número de métodos de ensaio direto na fundição é bastante limitado. Isto torna difícil determinar e documentar a qualidade, especialmente porque não há critério de avaliação universal. Neste contexto, é vital ser capaz de reproduzir procedimentos comprovados do processo global, tão seguro quanto possível, para garantir uma uniformidade de alta qualidade da fusão. Isso se refere em especial a procedimentos tais como: inspeção no recebimento de materiais de entrada, fusão "suave" da matéria-prima, tratamento correto do metal e, por último, mas não menos importante, manutenção do equipamento de fusão e espera.

Não há resposta universal para a pergunta de como as instalações de fusão e espera numa fábrica de alumínio fundido devem ser projetadas. Como regra geral, é recomendada separação clara entre fusão e espera. Nas fundições, não só metal sólido na forma de lingote é fundido, mas também o material de retorno da operação de fusão, como canais, galhos, massalotes e escória. Misturar material virgem e retornos resulta efeito positivo na nucleação durante a solidificação. Outras tarefas executadas na fundição incluem o tratamento do metal fundido e a espera do mesmo na temperatura de vazamento (líquido) até que seja utilizado. A comprovada regra a seguir permanece válida inclusive nas operações de fundição atuais: "Combustível para a fusão e eletricidade para a espera/manutenção." Esta regra leva em conta os custos mais favoráveis do gás natural e óleo mineral versus eletricidade e a alta demanda de energia térmica dos processos de fusão de alumínio. A figura 1 ilustra a demanda específica de energia térmica para aquecimento, fusão e sobreaquecimento de metais puros. Para alumínio não-ligado, a figura 2 mostra que, de toda a energia térmica necessária, aproximadamente 58% é utilizada para aquecer a carga até a temperatura de fusão e 34% para a fusão da carga. Comparado a essas quantias, o sobreaquecimento subseqüente para a temperatura de fusão ideal requer apenas uma relativa pequena parcela do calor total necessário.
Se grandes quantidades de metal são necessárias e uma unidade de refusão está a uma distância moderada da planta da fundição, a aquisição de metal fundido, que será contido em fornos de espera até a necessidade na fundição, é uma possível alternativa para a fusão de metal sólido. Neste caso a tarefa da fusão é limitada ao processamento do material de retorno, fruto das operações de fundição. É recomendado refundir o material de retorno internamente e misturá-lo com o metal fundido entregue. Conforme mencionado acima, essa é uma opção atrativa não apenas em razão de custos: A experiência prática tem provado que tais fundidos têm propriedades de fundição superiores. Misturando o metal fundido, que contém somente pouquíssimos núcleos, com o retorno fundido, que é enriquecido com os núcleos próprios, possui efeito positivo sobre o comportamento da solidificação ­ até mesmo na injeção. Esse procedimento tem reduzido as taxas de escória.

Para a fusão dos lingotes metálicos e do material de retorno, fundições de alumínio sob pressão utilizam principalmente fornos tipo cadinho ou torre.

Fornos de cadinho

As vantagens dos fornos de cadinho estão na operação e manutenção simples e o baixo investimento capital envolvido. Com o conceito de fornos baseado em fornos de cadinho a fundição consegue produzir também diferentes ligas em pequenos lotes. Virtualmente não há restrições ao tipo de liga. O fundido pode ser tratado diretamente no cadinho e, se necessário, a liga pode ser rapidamente e facilmente substituída.

Fornos de cadinho utilizados em fundições de alumínio, assim como unidades de fusão, geralmente possuem capacidade de até 1000 kg (tipo estático) ou de até 1500 kg (tipo basculante). As máximas taxas de fusão de fornos com aquecimento elétrico são de 250 kg Al/h. Fornos de aquecimento a gás alcançam taxas de até 400 kg Al/h.

A Figura 3 ilustra o princípio de um forno cadinho com aquecimento a gás. Devido ao arranjo lateral do duto de exaustão de fumos, a área de trabalho é virtualmente livre de poluentes. O cadinho é equipado com uma tampa giratória para economizar energia durante a espera, minimizando a perda de calor devido à irradiação da superfície do banho. Fornos de cadinho com os fumos sendo extraídos acima da borda do cadinho e uma capa disposta acima do cadinho, quase nunca são utilizadas atualmente. Uma desvantagem do projeto desse forno é que os fumos entram em contato com o banho, afetando negativamente a qualidade do fundido e causando uma carga poluente muito maior no ambiente de trabalho.

A Figura 4 mostra um forno basculante com resistências elétricas, completo, com o dispositivo basculante e o sistema hidráulico. Dentro do banho o termopar (visível no canto superior direito da figura), que é usado para medição e controle da temperatura do banho, é protegido por um tubo de grafite contra o calor do material fundido. O mesmo projeto é geralmente usado com fornos de aquecimento a gás.

Nos fornos com aquecimento a gás o consumo de energia por tonelada de metal fundido depende não somente do projeto do forno e do tamanho do cadinho. Outros fatores importantes são o ajuste exato do cadinho ao tamanho da câmara do forno, regulagem correta dos queimadores e a condição de envelhecimento do cadinho. Dependendo do tamanho do cadinho, queimadores a ar frio consomem aproximadamente 130 ­ 150 m3 de gás para fundir 1 t de alumínio a uma temperatura de 720°C. Para a mesma tarefa, fornos de cadinho com aquecimento elétrico requerem uma fonte de energia de aproximadamente 400 kWh. Além desses parâmetros, também o tempo necessário para fundir uma carga completa de um cadinho é um fator importante para a continuidade da operação de fundição. Por exemplo, um cadinho pré-aquecido a gás com capacidade de 350 kg e um material remanescente de aprox. 20%, necessita cerca de 90 minutos para fundir a carga. Um cadinho de 800 kg requer 130 minutos, ou seja, a diferença é moderada. Utilizar um cadinho frio pode prolongar o tempo de fusão para mais de 50%. Fornos com aquecimento elétrico consomem cerca do dobro do tempo necessário em relação aos fornos com aquecimento a gás.

Para volumes de produção maiores, fornos de cadinho já não são uma opção econômica. Isto é principalmente devido ao relativo alto consumo de energia específica e a operação manual dos fornos. O carregamento manual provoca alto custo de mão-de-obra. Além disso, somente metal completamente seco pode ser adicionado à carga, já que material úmido pode ocasionar explosões e situações perigosas aos operadores.

Forno de fusão tipo torre

Onde quer que seja necessária demanda precisa na qualidade do metal, taxa de fusão e economia, as fundições utilizam fornos de fusão tipo torre (figura 5). As taxas de fusão começam a aproximadamente 300 kg/h e podem atingir até 7.000 kg/h em passos de 500 ou 1000 kg/h. De acordo com a taxa de fusão, é possível prever a capacidade de espera variando de 500 kg a 20.000 kg na mesma unidade. Geralmente, qualquer combinação de capacidades de fusão e espera são viáveis e realizáveis para atender quaisquer requisitos de funcionamento. A regra aqui é que o tamanho do banho de espera (em kg) deverá corresponder pelo menos de uma a duas vezes a taxa de fusão (em kg/h).

Os critérios mais importantes para avaliar a qualidade de um forno de fusão tipo torre são:
Alta qualidade do metal, com baixa contaminação de gases e elementos não metálicos no banho
Baixa perda na fusão (baixa perda metálica devido à oxidação na atmosfera do forno)
Alta eficiência térmica e baixo consumo de energia por tonelada de metal fundido
Uniformidade do fundido em alta temperatura, pronto para purga de Al
Operação simples e segura durante carregamento e purga de Al
Fácil acesso ao interior do forno. Isto contribui para a minimização da perda metálica durante remoção de escória e facilita a limpeza do forno (remoção de acúmulos sobre o revestimento refratário)
Baixa exigência de manutenção e vida útil longa do revestimento refratário
Alto grau de automação, por exemplo, instalação de um sistema automático de carregamento, sistema de controle automático do queimador bem como controle da temperatura do banho e sistemas de monitoramento de temperatura
Clara e estruturada visualização da condição da planta, com registro de ocorrências e documentação adequado e reprodutível
Compromisso com normas de meio-ambiente e segurança, especificamente sobre emissões de ruídos, emissões de gases de exaustão e concentrações de poluentes no ambiente de trabalho
A Figura 6 mostra o projeto esquemático de um forno de fusão tipo torre com aquecimento a gás. Graças à geometria especial da torre e tecnologia de queimador dedicado, os passos de processo tais como pré-aquecimento, aquecimento e fusão estão combinados em uma única torre de fusão. O metal carregado na condição fria no topo da torre é aquecido enquanto move-se para baixo dentro da torre. No processo, o calor é extraído a partir dos gases da chaminé, oriundos do processo de fusão na soleira, ou seja, a torre de fusão opera de acordo com o princípio térmico altamente eficiente de contra-fluxo. A transferência de calor é por convecção, garantindo uma troca de energia térmica já em baixas temperaturas. Quando o metal alcança a soleira na base da torre, é aquecido suficientemente para fornecer altas taxas de fusão. Conseqüentemente o metal é, apenas por um curto período de tempo, submetido à zona de alta temperatura e ao impacto direto dos gases do queimador. Isso possui um efeito positivo na perda de fundidos. Explosões devido ao metal úmido no carregamento são eliminadas. O metal fundido com baixa escória escorre da soleira para dentro da câmara de espera sem turbulências, onde ele é mantido na temperatura exata de vazamento pré-selecionada. Instalações maiores de fornos são geralmente providas de um dispositivo de basculamento hidráulico (figura 5) para purga de Al, e unidades menores com uma válvula de purga de Al (figura 7).

As instalações possuem alto nível de automação. O ponto de início do carregamento pode ser determinado diretamente pelo controle do nível de preenchimento no forno ou indiretamente pela avaliação da temperatura dos gases de escape. A única operação não automática é o transporte do material da carga (lingotes e retornos) para o dispositivo de carregamento. Isto é feito tanto por carros de carregamento manualmente preenchidos quanto por empilhadeiras diretamente dentro do dispositivo de carregamento. O Carregamento começará então automaticamente pelo sistema de controle do forno.

O projeto do forno incorpora um sistema de combustão separado para a torre de fusão e para a área de espera, fornecendo a base para a produção contínua do metal fundido com uma tolerância de temperatura de ± 5°C. Esta é a base necessária para suprir a fundição com metal de modo que a utilização do equipamento possa ser otimizada.

O projeto do forno câmara-dupla consiste de uma soleira e um banho de espera em separado, garantindo a alta qualidade do metal ofertado. A fusão é caracterizada por uma baixa concentração de suspensão, contaminantes insolúveis; o teor de hidrogênio é inferior à solubilidade de equilíbrio. Nesses fornos tipo torre, ligas de fundição típicas, como 226, 230, 231 e 239, podem ser fundidas com alto rendimento de metal e uma qualidade metalúrgica que facilmente cumpre as especificações dos clientes. Por isso este tipo de forno é, em muitos casos, a unidade de fusão ideal para as fundições. Contudo, não é recomendado fundir peças de retorno extremamente diminutas, como os cavacos, na torre de fusão. A eficiência dos fornos de câmara dupla é também limitada em condições de operação com baixa taxa de purga, inferiores a 150 kg/h, ou mudanças de liga freqüentes, especialmente se variar de uma liga que contém cobre para outra que não contém cobre e vice-versa.

Esses fornos tipo torre de fusão também podem ser projetados com um ou dois tanques anexos (figura 8), que são freqüentemente utilizados em associação com células de fabricação. Um sistema de concha transfere o metal do tanque anexo para a célula. O material de retorno proveniente da célula é recarregado diretamente no forno. A qualidade do metal resultante é apropriada para uma série de produtos sem nenhum tratamento adicional de fusão. Combinar um forno torre com uma célula de fabricação é uma solução altamente eficiente.

Rendimento metálico

Conforme mencionado acima, na fusão de alumínio a perda do fundido traduz diretamente em uma perda financeira da fundição. Por outro lado, aumentar o rendimento metálico no forno de fusão traz um efeito positivo no período de retorno de investimento da instalação e é, portanto, um critério muito importante para a decisão do investimento.

O equivalente financeiro de uma perda metálica de 1%, a uma taxa de fusão de 1 t/h em funcionamento de 3 turnos, significa aproximadamente R$200.000/ano. Este cálculo considera o preço do lingote de alumínio de R$4.000/t e um tempo de fusão anual de 5000 h.

A fim de proporcionar às fundições dados práticos comprovados sobre o rendimento metálico da instalação StrikoMelter® e ser capaz de aconselhar os operadores de fundição de uma maneira altamente eficiente, a StrikoWestofen elaborou um balanço metálico completo, levando em consideração o peso exato de toda entrada e saída de material do forno. Isso foi realizado com os seguintes objetivos: obter informação precisa do rendimento metálico, junto com um balanço metálico abrangente, e criar um quadro confiável para o cálculo de investimento.

Uma investigação realizada em uma fundição proporcionou os resultados mostrados na tabela 1. Os valores obtidos destacam a eficiência deste tipo de forno. Pode-se observar que a perda metálica não é determinada pela pesagem da escória removida do forno, mas pelo cálculo da diferença entre o metal alimentado e o metal purgado. Uma comparação posterior com a quantidade de escória revelou que uma pequena quantidade de metal foi perdida devido à oxidação, durante o processo de fusão. Globalmente, a investigação produziu um balanço metálico fechado e completo.

Os resultados das investigações só podem ser considerados como valores de referência para as ligas padrão. Em operações práticas os resultados podem variar, por exemplo, se a interrupção da fusão não for possível ou se o material de retorno for de baixa qualidade devido à presença de contaminantes ou alto teor de flocos de óxidos. Outro aspecto importante são os cuidados exercidos durante a remoção de escória. A avaliação dos registros referentes aos turnos operacionais mostrou que em alguns casos o rendimento metálico foi de até 0,5% abaixo da medição de referência. Em fundidos feitos a partir de lingotes puros, esta diferença tende a ser ligeiramente inferior; em fundidos com alto teor de material de retorno, tende a ser ligeiramente superior.

Consumo de energia e potencial de economia

O consumo de energia específica dos fornos de fusão tipo torre difere substancialmente entre os vários conceitos de fornos disponíveis no mercado. Estudos independentes trazem taxas de consumo que vão desde 580 até 900 kWh/t de alumínio [1]. Como regra geral, o consumo de energia é influenciado pelo tamanho do forno, pela temperatura do fundido no banho e pelo material de entrada (liga, tamanho de grão, etc.) Para o acima descrito, StrikoMelter® com sistema ETAMAX®, a StrikoWestofen garante um consumo de energia específico de 600 kWh/t para operação contínua e uma temperatura de fusão de 720°C. O valor refere-se à utilização de lingotes e retornos volumosos como matéria prima.

Para reduzir o consumo de energia dos fornos tipo torre de fusão, as seguintes medições devem ser feitas no local ou tratadas:
Alto grau de utilização do forno, se possível operação de fusão contínua
Tamanho de torre adaptado à matéria prima. Se necessário, o aumento da torre deve ser considerado
Operação de carregamento automatizada
Instalação de um laser na torre para monitorar o nível de preenchimento e otimizar o ponto de início do carregamento
Instalação de um tampa abafadora na torre
Controle da pressão do forno (se necessário)
Avaliação das informações operacionais
Treinamento personalizado
Geralmente recomenda-se utilizar operação de fusão contínua, já que qualquer interrupção no processo resulta em perda de energia térmica. Outra desvantagem é que sempre que o processo é interrompido, o metal fundido re-solidifica. Quando o processo é retomado, a energia de fusão perdida deve ser reposta. Além disso, esta "fusão dupla" também promove oxidação e, por conseguinte, a formação de escória, que traz impacto negativo na qualidade do metal. Devido à demanda variável de metal na fundição nem sempre é possível otimizar o uso na capacidade do forno. Em situações de baixa utilização do forno, a utilização deverá ser feita na capacidade de espera do forno. Em seguida, enquanto a operação de fusão está sendo suspensa, a quantidade necessária de metal fundido pode ser retirada do banho de espera. Durante este tempo o forno opera exclusivamente na capacidade de espera. A perda metálica pode ser minimizada pelo fechamento da tampa abafadora da torre. Somente quando o banho estiver aproximadamente 50% vazio uma nova etapa de fusão deverá iniciar, a qual ­ dependendo do tamanho do banho ­ deverá ocorrer por algumas horas.

O pré-aquecimento do material é outro fator decisivo na otimização do uso de energia. A ampla gama de taxas de consumo de energia dos fornos, resumido na literatura sob o termo "fornos de fusão tipo torre", é em grande parte devido à diferença na geometria das torres e aos efeitos resultantes no pré-aquecimento do material da torre. Um forno tipo torre eficiente apresenta uma zona de alimentação "a frio", seguida por uma zona de "aquecimento" na torre, onde o material é pré-aquecido, e uma zona de fusão onde a densidade de energia deverá ser a maior possível. Outra condição importante para uma alta taxa de utilização de energia térmica é uma torre uniformemente carregada com altura de preenchimento elevada e grande densidade de acomodação da carga.

O carregamento do forno é geralmente por meio de dispositivos de elevação e basculamento. O carregamento deve ocorrer automaticamente, ativado por um sensor que detecta com segurança o progresso da fusão na torre. Para assegurar que a torre está preenchida de forma otimizada o tempo todo, a secção transversal da torre deve ser escaneada por um feixe de laser em uma posição adequada abaixo do dispositivo de carga. Tão logo que o sensor sinalizar que a torre está vazia naquela posição, o sistema de controle do forno irá automaticamente iniciar o carregamento do forno. Este sistema de monitoramento a laser detecta o nível de preenchimento diretamente na torre, habilitando o início do processo de carregamento o mais rápido possível, independente da forma, tamanho e densidade volumétrica do material de carregamento. Esta abordagem explora de maneira otimizada as vantagens do princípio de funcionamento da torre e atinge maior eficiência energética em relação à procedimentos indiretos, como medições de temperatura do forno ou operação baseada no controle de tempo. Numa fundição típica, a eficiência pode ser melhorada através da instalação de uma mesa de rolos como dispositivo de carregamento, vide figura 9. As instalações de controle do carregamento e do forno são coordenadas de maneira que o manuseio e transporte dos materiais de retorno e lingote se posicionam de maneira totalmente automática. Isto reduz ao mínimo o trabalho físico a ser executado pelos operadores. Os funcionários ficam disponíveis para outras tarefas. Assim, este passo no sentido de aumentar a automatização também contribui para aumentar a produtividade no trabalho.

A temperatura superficial dos fornos é frequentemente usada como medida para a radiação perdida. Entretanto, esta abordagem negligencia as perdas de calor através das portas do forno e perdas durante carregamento, que também devem ser levados em conta. Todas essas perdas são fatores que co-determinam a eficiência tecnológica do forno. Consideráveis quantias de calor escapam através de portas com deficiência na vedação. Se as portas localizadas na área das zonas quentes de fusão necessitarem ser abertas para carregamento, cada operação de carga dá origem a enormes perdas adicionais de calor. Fornos de fusão projetados para carregamento de metal de cima para dentro da zona fria da torre, ao contrário sofrem praticamente nenhuma perda de calor durante o carregamento. Eventualmente, a única medida para o desempenho energético do forno é a eficiência global, a qual é obtida multiplicando-se a eficiência do sistema de queima pela eficiência tecnológica do forno. Bons fornos de fusão tipo torre atingem eficiências maiores que 50%.

Qualidade do metal

Considerando que, no passado a fundição era utilizada predominantemente para produtos produzidos em massa, hoje a gama de produtos foi ampilada incluindo também componentes que devem atender requisitos de qualidade mais rigorosos. Isto é devido ao desenvolvimento de novas ligas e técnicas de fundição para fundidos dúcteis, soldáveis e tratadas termicamente. Por exemplo, fundições para engenharia automativa, como carcaças automotivas e componentes do chassi feitos de alumínio.

Defeitos típicos de fundição, como inclusões de óxidos e porosidade são freqüentemente causadas pela qualidade insuficiente do metal fundido. O tratamento de fundidos por purga de gases tem se tornado uma prática comprovada nas fundições de alumínio. O tratamento geralmente é realizado em uma estação de desfaseificação (FDU) enquanto o fundido está na concha de transferência a caminho do forno de fusão para o forno de espera ou de tanque anexo. Se esta etapa de processo puder ser dispensada, as vantagens para a fundição são múltiplas. Isto economiza tempo, capital investido e, por último, porém não menos importante, na energia, visto que sempre que um fundido é tratado numa estação FDU, ele resfria. Neste contexto, a qualidade do fundido no forno aparece sob uma nova luz. Com uma limpeza suficientemente boa do fundido, a temperatura do metal pode ser reduzida já que um tratamento do banho pode ser dispensado.

Um método simples, rápido e comprovado na prática para avaliar o grau de limpeza do metal fundido é o teste de densidade a vácuo (figura 10). Ele fornece o índice de densidade (DI) do metal. Este parâmetro misto permite conclusões a serem elaboradas tanto para conteúdo de hidrogênio quanto para o conteúdo de inclusões do fundido, servindo como um indicador para uma potencial propensão da fusão na origem dos defeitos de fundição. Quanto maior o índice de densidade, maior será o risco de porosidade no fundido.

A limpeza que poderá ser alcançada no fundido é influenciada pelos processos de fusão e espera e pela qualidade do material carregado. Portanto, a base para a qualidade de um fundido é prevista o quanto antes no forno de fusão. Para ligas padrão alumínio-silício, fornos de fusão dupla-câmara da série StrikoMelter® normalmente alcançam índice de densidade do fundido entre 4% e 8%. Com índice de densidade nesta faixa a produção é, em muitos casos, fundida sem nenhum tratamento adicional. Graças à separação clara das zonas de espera e fusão, um fundido de alta qualidade pode ser obtido mesmo quando se carregam materiais de qualidade inferior. O tamanho do banho de espera, especialmente a limitação da profundidade do banho menor que 600 mm, e o ajuste de uma temperatura uniforme dos queimadores contando com tecnologia de regulagem moderna são fatores fundamentais para a obtenção de um metal de alta qualidade. Adicionalmente, com a capacidade de banho generosamente dimensionada, a fusão pode ser realizada em tempo suficiente, influenciando favoravelmente o seu grau de limpeza.

Medições em um forno de fusão tipo torre StrikoMelter® mostram como um processo de fusão otimizado e controle de temperatura eficiente traduzsem em uma alta qualidade de fusão. Na concha de transferência, imediatamente após a purga do metal, valores de DI entre 4% e 5% foram observados. A temperatura de purga neste caso foi 740 °C. Valores de DI tão baixos são geralmente suficientes para transferir o fundido diretamente para o forno de tanque anexo ou forno dosador, sem necessidade de desgaseificação.

Quando forem produzidas fundições de alta escala, por exemplo, fundições dúcteis altamente carregadas, o tratamento do metal fundido pode iniciar já no banho de espera do forno de fusão por meio de plugs porosos (figura 11). Os principais objetivos do uso da injeção de gás inerte (nitrogênio ou argônio) são primeiramente para pré-limpeza do metal fundido, ou seja, a desgaseificação do fundido em um ritmo superior pode ser obtida no banho de espera e, em segundo lugar, para homegeneizar o metal fundido. Este último também reduz o consumo de energia durante a espera subseqüente. Entretanto, o tratamento através dos plugs porosos instalados na parte inferior da câmara de espera não é recomendado se o forno for carregado por bateladas ou se a câmara necessitar esvaziamento freqüentemente. Adicionalmente, com temperaturas de banho de 800°C e acima ­ dependendo de certos elementos de liga ­ os plugs porosos podem entupir c/ o metal fundido. Esta situação prejudica a eficiência da injeção de gás e/ou aumenta o consumo do mesmo.
A Figura 12 mostra a curva do índice de densidade do fundido no banho de espera em um forno de fusão tipo torre com câmara-dupla após o início da injeção de gás inerte pelos plugs porosos. Após um período de desaeração, o índice de densidade diminui continuamente. Com uma baixa temperatura de fusão de 700°C e conteúdo muito baixo de óxidos e outros contaminantes sólidos, um excelente valor DI final inferior a 1,5% pode ser atingido.

Fornos de fusão de cavaco

Durante os últimos anos, muitas fundições têm investido pesado em maquinas de usinagem para internamente retrabalhar as peças fundidas. Isto foi e continua sendo feito especialmente para responder à crescente demanda da indústria automotiva, para peças que necessitam maior acabamento. Como resultado, a quantidade de cavacos metálicos provenientes de algumas fundições tem atingido dimensões que fazem da reciclagem interna na própria planta uma alternativa economicamente atrativa em relação à venda dos cavacos às usinas de reciclagem externas ou fundições secundárias.

Fundições geralmente avaliam o investimento em um forno fusor de cavacos sob o aspecto de rendimento metálico, já que o bônus financeiro gerado pelo aumento do rendimento metálico irá reduzir dramaticamente o período de ROI (Retorno sobre Investimento) da planta. Aqui deve ser levado em consideração que o rendimento metálico é determinado pelo tipo de liga específico, bem como a forma e condição dos cavacos. Quanto maior a fração de grãos finos no carregamento de cavaco e quanto menor for a espessura do mesmo, pior será o rendimento metálico. Um sistema de fusão de cavaco tecnologicamente avançado sempre irá incluir a análise desses parâmetros críticos de carregamento.

Um forno de fusão destinado à refusão de cavacos metálicos deve integrar uma unidade de condicionamento de cavacos, que garante que os cavacos estão carregados dentro do forno na condição mais seca quanto possível. Cavacos úmidos não somente reduzem o rendimento metálico. Eles também causam fumos e fuligem, sendo necessária limpeza dos gases de exaustão.

Em princípio os cavacos também podem ser fundidos em fornos de cadinho por indução. Aqui a pesada, parcialmente vertical, agitação do banho faz com que os cavacos facilmente mergulhem abaixo da superfície do banho. Esta é uma pré-condição indispensável para a baixa perda metálica. Como alternativa, fornos de câmaras múltiplas aquecidos a gás têm sido desenvolvidos com uma câmara especial de espera anexa, para adição dos cavacos metálicos. A Figura 13 mostra um sistema equipado com uma bomba de circulação e um bloco refratário dedicado para fusão de cavacos metálicos. O bloco refratário e a bomba formam uma unidade integrada. A bomba succiona o metal da câmara de espera do forno e o impulsiona para dentro do bloco (figura 14). A bomba é montada sobre uma estrutura de aço. Isto facilita a remoção para fora do banho, para manutenção ou limpeza. Na parte inferior do bloco é criado um vórtice, o qual rapidamente arrasta os cavacos para baixo da superfície metálica do banho, derretendo-os com isenção de ar ­ conhecido como fusão submersa. O metal circulante conduz à rápida homogeneização térmica e química do banho. O movimento contínuo do banho traz efeitos positivos: o processo de aquecimento do banho para a temperatura necessária consome menos energia e a temperatura de purga do metal fundido é caracterizada por alta uniformidade. Este sistema atinge rendimentos metálicos maiores que 98%. Estes valores são baseados em medições abrangentes de desempenho realizadas em diversos fornos de fusão de cavacos. A forma e propriedades dos cavacos ­ neste caso principalmente do tipo contínuos ­ bem como as ligas, foram bem adaptadas para refusão. No final do processo de fusão, a quantidade de escória superficial na câmara do banho foi muito baixa (figura 15). Esta escória pode ser facilmente removida pela porta de limpeza. O metal residual é tratado por fluxo de escória adicionado em pequenas quantidades. Isto cria escória relativamente seca, a qual é facilmente removida do forno.

Em fornos de câmaras múltiplas com projeto avançado, cavacos metálicos podem ser fundidos juntamente com lingotes e material de retorno. Uma solução possível é o forno de fusão tipo torre adicionalmente equipado com tanque anexo de carregamento de cavacos (figura 16). Este forno combinado tem a vantagem de apresentar baixo consumo de energia específica e prevê a possibilidade de combinar todos os processos de produção de liga em uma única unidade de fusão, em geral com reduzida necessidade de recursos. Se cavacos de diferentes ligas ou cavacos úmidos forem fundidos, os mesmos não devem ser misturados em uma única câmara de espera já que isto afeta negativamente a qualidade do metal. Neste caso, é recomendado fundir os cavacos separadamente.

Gestão operacional do forno

Durante os últimos anos, os preços de matérias-primas estão em crescimento constante. A queda de preços atual não é suscetível de manter-se por muito tempo. Isto se aplica para metais e energia. A disponibilidade limitada destes recursos e a demanda crescente farão com que a situação dos custos fique cada vez mais aguda em longo prazo. Isto só poderá ser combatido pelo aumento da eficiência do uso da matéria-prima e energia. Em operações de fusão metálica isto significa primariamente que o rendimento metálico deve aumentar e o consumo de energia diminuir.

Um gerenciamento eficiente da unidade de fusão só é possível através da disponibilidade de informações adequadas de desempenho das instalações de fusão. As informações necessárias são capturadas e fornecidas pelo sistema de controle do forno. Ele registra as informações operacionais do forno e utilização do equipamento, assim como o consumo metálico e energético. Assim, cabe ao gerenciamento de produção analisar e validar as informações do processo.

Sistemas modernos de controle do forno capturam, visualizam e armazenam informações relevantes do processo. O painel operacional atua como interface entre o operador e a máquina (figura 17). A operação é conduzida através de um Menu. As informações em tempo real do processo são visualizadas em uma estrutura limpa e por ilustrações auto-explicativas em uma tela colorida (figura 18). Sub-menus estilo "pop-up" podem ser abertos para visualização de maiores detalhes. Informações sobre o estado atual do forno e até mesmo registros do turno atual podem ser abertos a qualquer momento, pressionando-se um botão (figura 19). Se as informações são registradas e armazenadas em um dispositivo de armazenamento removível, elas podem ser transferidas por um dispositivo de hardware para o computador do cliente. Alternativamente, os arquivos de histórico de utilização podem ser transmitidos do campo para o nível de gerenciamento via Ethernet. Entretanto, um gerenciamento eficiente do forno não necessita de dados abundantes, mas de uma apresentação claramente estruturada das informações de processo, qualificada para uma análise comparativa. Assim, a avaliação externa dos dados é feita utilizando um software de planilha padrão. Uma aplicação especificamente programada e dedicada é fornecida pelo fabricante. Como padrão mínimo, registros do forno devem incluir informações sobre os modos operacionais e tempos operacionais, bem como curvas de temperatura e arquivos de mensagens relevantes para garantia da qualidade. Se o forno é equipado com uma célula de pesagem, as quantidades alimentadas e removidas, incluindo as quantidades removidas durante a limpeza, devem ser compiladas. As informações são complementadas pela validação do consumo de combustível. Um registro completo, conseqüentemente, contém os consumos médios de energia, consumos pelos modos operacionais e o consumo de energia específica; ou seja, em relação à taxa de fusão. Para uma visão clara, isto pode ser útil para a saída de dados de turno ou validações por dias, semanas, meses ou anos. Os registros podem ser adaptados a solicitações individuais de cada cliente.

Assim, a gestão da produção tem em mãos um instrumento eficaz para capturar dados de desempenho dos recursos e compará-los com dados antigos. Este conhecimento habilita conclusões a serem elaboradas para a operação e condição da instalação do forno. Isto compõe a base para início de uma organização orientada ou medidas de melhorias técnicas capazes de explorar recursos disponíveis da melhor maneira possível e incrementar a eficiência da produção.

Referências: [1] Bayerisches Landesamt für Umweltschutz (Hrsg.): Effiziente Energienutzung in Nicht-Eisen-Metall-Schmelzbetrieben, Augsburg 2005
Autores: Dipl.-Ing. Klaus Malpohl, StrikoWestofen GmbH, Leiter Entwicklung (kma@strikowestofen.com)
Dipl.-Ing. Rudolf Hillen, StrikoWestofen GmbH, Entwicklung Bereich Schmelztechnik (rhl@strikowestofen.com)
Legendas:
Legendas
Tabela 1 Rendimento metálico de um forno de fusão tipo torre StrikoWestofen para diferentes materiais de carregamento
Figura 1 Índice de calor específico para ligas NF
Figura 2 Calor necessário para aquecimento, fusão e sobreaquecimento de alumínio puro
Figura 3 Desenho esquemático de um forno cadinho com aquecimento a gás
Figura 4 Forno cadinho com aquecimento elétrico e basculante, StrikoWestofen GmbH
Figura 5 Purga de Al de uma torre de fusão basculante da StrikoWestofen GmbH
Figura 6 O princípio de contra-fluxo térmico do forno de fusão tipo torre garante utilização otimizada de energia e alta qualidade do metal
Figura 7 Carregamento conveniente do forno torre; para purga de Al, c/ válvula instalada; StrikoWestofen GmbH
Figura 8 Fornos de fusão tipo torre com tanque anexo na lateral para remoção direta de metal, ex. por uma concha
Figura 9 Mesa com rolos usada como buffer para containers em carregamentos totalmente automatizados
Figura 10 Seções de três amostras de teste de densidade a vácuo ilustram as diferenças na porosidade para diferentes valores DI
Figura 11 Plugs porosos instalados na parte inferior da câmara de espera melhoram a qualidade do banho por injeção de gás inerte
Figura 12 Índice de densidade decrescente do metal fundido no banho de espera devido à injeção de gás via plugues porosos
Figura 13 Instalação de fusão de câmaras múltiplas com câmara anexa adicional na lateral, para fusão rápida de cavacos metálicos
Figura 14 Durante a refusão do cavaco a bomba de circulação e um bloco refratário dedicado garantem a alta qualidade do metal
Figura 15 Formação mínima de escória graças à tecnologia sofsticada de refusão de cavacos
Figuras 16 a e b Forno de fusão combinado para lingote e material de retorno bem como cavacos metálicos
Figura 17 Sistema moderno de controle de forno com painel operacional e aquisição de informações de processo
Figura 18 Gráficos de alta resolução, visualização estruturada limpa do forno e das informações de processo
Figura 19 Exemplo de um registro de turno incluindo todos os fatores importantes e consumo de energia