Fundição Prof. Hélio Padilha

Introdução O processo de fundição consiste em vazar (despejar) metal líquido num molde contendo uma cavidade na geometria desejada para a peça final. Os processos podem ser classificados pelo tipo de molde e modelo e/ou pela força ou pressão usada para preencher o molde com o metal líquido. O processo de fundição permite obter, de modo econômico, peças de geometria complexa, sua principal vantagem em relação a outros processos. O processo de fundição aplica-se a vários tipos de metais, tais como aços, ferros fundidos, alumínio, cobre, zinco, magnésio e respectivas ligas.

Introdução O ferro ocorre, na natureza, sob diversas formas de minerais. Entretanto, apenas alguns destes minerais têm valor comercial como fontes de ferro. Entre estes, os minerais formados por óxidos de ferro representam a grande maioria das fontes de ferro para a indústria.

Principais minerais ferrosos (óxidos) Magnetita – Fe3O4 É altamente magnética, permitindo sua separação fácil de resíduos indesejáveis do minério (ganga). É minerada principalmente na Rússia e na Suécia e tem a vantagem da facilidade de concentração decorrente das propriedades magnéticas. Hematita - Fe2O3 É o minério de maior emprego na siderurgia,sendo o Brasil um dos maiores produtores mundiais.

Principais minerais ferrosos (óxidos) Entre todos estes tipos de minério, a hematita, que constitui a maioria dos minerais brasileiros, é o mais importante em função da sua relativa abundância e alto teor de ferro. No Brasil a hematita ocorre em grandes massas compactas ou friáveis de elevado teor de ferro, ou como rocha metamórfica laminada em camadas alternadas com quartzo denominada itabirito, podendo atingir até 69% de ferro. Nome Magnetita Hematita Limonita Siderita Cor Cinza escuro Cinza a vermelho fosco Amarela a marron escuro Cinza esverdeado Composição Fe3O4 Fe2O3 2Fe2O3 3H2O FeCO3 % Fe 72,36 69,96 62,85 48,20 Ocorrência Rochas ígneas, sedimentares e metamórficas Rochas sedimentares e metamórficas Rochas sedimentares

Produção de ferro metálico Os minérios de ferro precisam ser quimicamente reduzidos para que se obtenha o ferro metálico: Fe+3 + 3e- → Fe Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO Atualmente há duas técnicas mais importantes para redução do minério de ferro: redução em alto-forno, produzindo gusa líquido e a redução direta.

Composição genérica do gusa Ferro GUSA O gusa é o produto imediato da redução do minério de ferro pelo coque ou carvão e calcário num alto forno. O gusa normalmente contém até 4,5% de carbono, o que faz com que seja um material quebradiço e sem grande uso direto. O ferro gusa é a matéria-prima do aço. É formado por uma liga de ferro-carbono, obtida em alto forno e fundida em molde padrão de formato piramidal, de aproximadamente 4,5 kg, e em formato trapezoidal de 6,5 kg. É dividido em 3 categorias de acordo com sua especificação química: Ferro Gusa de Aciaria: matéria-prima utilizada na produção do aço; Ferro Gusa de Fundição: matéria-prima para peças fundidas; Ferro Gusa Nodular: matéria-prima utilizada na produção de peças especiais. Composição genérica do gusa Carbono 3,5 a 4,5% Silício 0,3 a 2% Enxofre 0,01 a 0,1% Fósforo 0,05 a 2% Manganês 0,5 a 2%

6mm< Minério <40mm granulado Ferro primário 5mm<Pelotas<18mm 5mm<Sinter<50mm 6mm< Minério <40mm granulado Em detalhe

Processo de pelotização Pelotas são aglomerados de forma esférica formados pela pelotização de minérios finos com o auxílio de aditivos seguido por um endurecimento a frio ou a quente. Os aditivos geralmente utilizados são: fundentes (calcário, dolomita), aglomerantes (bentonita, cal hidratada) e combustível sólido (antracito)

Processo de sinterização As partículas finas de minério, também chamadas de sínter-feed, são pequenas demais para serem colocadas diretamente no alto forno. Portanto, elas sofrem um processo de aglomeração denominado sinterização. Durante esse processo, ocorre uma fusão incipiente das partículas de minério, e parte da hematita, que é seu composto principal, é reduzida a outras fases. O material produzido, que é o sínter, é um material fortemente não-homogêneo composto principalmente por hematita, magnetita, ferritos, silicatos e poros.

Propriedades Sínter Pelotas 57 a 61% de ferro 64 a 67% de ferro Aproveitamento dos finos de mineração abaixo de 8 mm até 0,15 mm e de resíduos siderúrgicos (pó de coletor, carepa, etc...) Aproveitamento dos finos de mineração abaixo de 0,5 mm Resistência mecânica média e possível à degradação durante o transporte Elevada resistência e baixa degradação no transporte Tamanho do sínter: 0 a 50 mm, em formato irregular Tamanho da pelota: 10 a 12 mm, de formato esférico Gera 7 a 10% de finos de retorno no transporte da sinterização ao alto-forno Gera de 5 a 10% de finos de retorno Redutibilidade alta

Coque Basicamente, o processo de coqueificação consiste em um aquecimento de carvões coqueificáveis, em ausência de ar, até cerca de 1100ºC. Ocorre, então, uma decomposição térmica que dá origem aos produtos voláteis e a um resíduo sólido carbonoso, macroporoso e de alta resistência mecânica, chamado coque.

Alto forno São estruturas de aproximadamente 100 metros de altura e 13 metros de diâmetro. Com temperaturas elevadas que podem chegar até a 1800°. É construído com chapas de aço e revestido com materiais refratários.No topo do forno o coque, calcário, e o material portador de ferro (sinter, pelotas e minério granulado) são carregados em diferentes camadas. O ar injetado pelas ventaneiras irá reagir com o coque, gerando o gás redutor em alta temperatura, que irá trocar calor com a carga. Na região inferior do alto-forno, os gases com temperatura de 2000 ºC irão fundir o ferro gusa já reduzido, bem como aquecê-lo até a temperatura de vazamento, de aproximadamente 1500ºC. As impurezas presentes nos minérios não serão reduzidas sendo apenas fundida, desta forma compondo a escória.

Produção A produção diária em média de um alto forno varia de 5.000 a 10.000 toneladas. A carga do alto forno para a produção de 1 tonelada de Ferro Gusa: 1,7 toneladas de minério (Fe2O3 + ganga ) 0,25 tonelada de calcáreo (CaCO3) 0,5 tonelada de carvão (CV ou CM) 2 toneladas de ar (H2O, N2, O2, ...) Produção: 1 tonelada de Ferro Gusa 0,2 a 0,4 ton. de escória 2,3 a 3,5 ton. de gás (reaproveitável).

Reações químicas Produção de energia e formação de monóxido de carbono (CO): A queima de carvão ativado pela entrada de ar quente fornece calor e monóxido de carbono, este último importante na redução do minério. A oxidação do carbono ocorre próximo a entrada de ar (ventaneiras),próximo a base do alto forno, cerca de 1 a 3 metros. Na reação não CO2 devido a altas temperaturas (1500 ºC) e excesso de carbono. O excesso de CO torna o gás do alto forno combustível.

Reações químicas Redução do ferro: O ferro do minério deve ser reduzido a ferro metálico. O monóxido de carbono serve para reduzir o ferro.

Reações químicas Redução do silício, fósforo e manganês Nas temperaturas mais baixas da parte superior do alto forno ocorre a seguinte reação: Nas altas temperaturas : Esta última reação é incompatível em alto-forno, praticamente todo o fósforo do minério é incorporado no ferro gusa.

Reações químicas Reação da escória (escoriamento): O silicato de cálcio recebe o nome de escória e depositam-se no cadinho sobre o ferro, evita a oxidação, se retirada periodicamente. As escórias são utilizadas na produção de tijolos, blocos e concretos. O gás do alto-forno limpo de pó se usa como combustível nos recuperadores e nas caldeiras a vapor. Seu poder calorífico, é aproximadamente de 1000 cal/m3.

Alto forno

Transporte O gusa líquido deve ser transportado para aciaria com o mínimo de perdas de calor. Este transporte é realizado pelos carro torpedo, que possibilitam também, a dessulfuração em instalação própria, através da injeção de aditivos e gás inerte, submergido por uma lança. Este processo prepara o gusa para a próxima etapa de transformação.

Carro torpedo

Ferros Fundidos

Ferro fundido Obtenção de Ferro Fundido: O material da primeira fusão(ferro gusa) obtido em alto forno é levado a uma fundição e refundido junto com sucata de ferro fundido e aços em forno cubilô, dando origem ao ferro fundido de segunda fusão com 2,3 a 3,5 % de carbono. Com este produto são feitas peças geralmente, chamadas peças de ferro-fundido. Exemplos: carcaça de motor, panelas (caçarolas), fogão à lenha, lareiras, etc.

Ferro fundido Correlação dos teores de C e de Si presente nos aços e ferros fundidos (a maioria dos aços apresenta baixo %Si e os ferros fundidos elevado %Si).

Ferros fundidos - obtenção

Ferros fundidos cinzentos Ferro fundido cinzento Entre os ferros fundidos, o cinzento é o mais comum, devido às suas características como: baixo custo (em geral é fabricado a partir de sucata); elevada usinabilidade, devida à presença de grafite livre em sua microestrutura; alta fluidez na fundição, permitindo a fundição de peças com paredes finas e complexas; facilidade de fabricação, já que não exige equipamentos complexos para controle de fusão e solidificação. A grafite, entrecortando a matriz metálica, absorve vibrações, facilita a usinagem e confere ao ferro fundido uma melhor estabilidade dimensional.

Forma da grafita em um ferro fundido cinzento (forma de veios)

Ferro fundido cinzento Os ferros fundidos absorvem as vibrações por conta da presença da grafita na estrutura

Ferros fundidos brancos Menos comum que o ferro fundido cinzento, o branco é utilizado em peças em que se necessite elevada resistência a abrasão. Este tipo de ferro fundido não possui grafite livre em sua microestrutura. O carbono encontra-se combinado com o ferro, resultando em elevada dureza e elevada resistência a abrasão. Praticamente não pode ser usinado. A peça deve ser fundida diretamente em suas formas finais ou muito próximo delas, a fim de que possa ser usinada por processos de abrasão com pouca remoção de material.

Ferro fundido nodular O ferro fundido nodular é uma classe de ferro fundido, onde o carbono (grafite) permanece livre na matriz metálica, porém em forma esferoidal. Este formato da grafite faz com que a ductilidade seja superior, conferindo ao material características que o aproximam do aço. A presença das esferas ou nódulos de grafite mantém as características de boa usinabilidade e razoável estabilidade dimensional. Propriedades mecânicas dos nodulares: boa resistência mecânica à tração, boa ductilidade e resiliência, boa resistência à compressão.

Forma da grafita em um ferro fundido nodular (forma de nódulos)

Ferros fundidos maleáveis Obtido por tratamento térmico em altas temperaturas por longos tempos (tratamento de maleabilização) a partir de um ferro fundido branco Propriedades mecânicas dos maleáveis: Ficam entre as do nodular e do cinzento média resistência mecânica à tração, média ductilidade (para um ferros fundidos que possui em geral muito baixa ductilidade) e resiliência, boa resistência à compressão.

Forma da grafita em um ferro fundido maleável (forma de “amebas”) Ferros fundidos maleáveis Forma da grafita em um ferro fundido maleável (forma de “amebas”)

Fundição contínua Neste processo, as peças fundidas são longas, com secções quadrada, retangular, hexagonal ou de formatos diversos. Em outras palavras, o processo funde barras de grande comprimento com as secções mencionadas, as quais serão posteriormente processadas por usinagem ou pelos métodos de conformação mecânica no estado sólido.

Fundição contínua

Aciaria - aços Aciaria é a unidade de uma usina siderúrgica onde existem máquinas e equipamentos voltados para o processo de transformar o ferro gusa em diferentes tipos de aço. O principal destes equipamentos é o convertedor, que é um tipo de forno, revestido com tijolos refratários e que transforma o ferro gusa e a sucata em aço. Uma lança sopra oxigênio em alta pressão para o interior do forno, produzindo reações químicas que separam as impurezas, como os gases e a escória. A principal reação química no convertedor ocorre entre o oxigênio injetado e o carbono presente no ferro gusa, gerando gases que são eliminados no convertedor. Estes gases se combinam e retiram o carbono do gusa, dando origem ao aço.

Aços - Conversores

Aços - Fornos elétricos