SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA S ANTA CATARINA SOCIESC
CADINHOS PARA FUNDIÇÃO
Textos e ilustrações: Morganite do Brasil Industrial Ltda e Carbosil Industrial Ltda. Edição e montagem: Iberê Roberto Duarte Escola Técnica Tupy e Instituto Superior Tupy
JOINVILLE AGOSTO/2008
2 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃ INTRODUÇÃO O ....................... .................................. ...................... ....................... ....................... ...................... ...................... ..................... .......... 3 2 HISTÓRICO HISTÓRICO ....................... .................................. ....................... ....................... ...................... ...................... ....................... ....................... ............... 4 3 O CADI CADINHO..................... NHO................................ ....................... ....................... ...................... ...................... ....................... ....................... ............... .... 5 4 PROPRIEDA PROPRIEDADES DES DESEJÁVEIS DESEJÁVEIS ....................... .................................. ...................... ....................... ....................... ............... .... 5 5 COMPOSIÇÃ COMPOSIÇÃO O DO CAD CADINHO INHO ...................... ................................. ....................... ....................... ...................... ................... ........ 6 5.1 CARBETO CARBETO DE SILÍCIO SILÍCIO LIGADO A CARBONO................... CARBONO.............................. ...................... ................. ...... 6 5.2 GRAFITE GRAFITE LIGADO À CARBONO CARBONO ....................... .................................. ...................... ....................... ....................... ........... 7 5.3 GRAFITE-AR GRAFITE-ARGILA GILA.......... ..................... ....................... ....................... ...................... ...................... ....................... ....................... ............... 7 6 A ESCOLHA DO CADINH CADINHO O ...................... .................................. ....................... ...................... ....................... ....................... ........... 7 7 INSTALAÇÃ INSTALAÇÃO O E PARTIDA........... PARTIDA....................... ....................... ...................... ...................... ....................... ....................... ............... 8 7.1 CUIDADOS NO FORNO ELÉTRICO A RESISTÊNCIA.............................. RESISTÊNCIA................. .................. ..... 8 7.2 CUIDADOS CUIDADOS APLICADOS APLICADOS A TODOS OS TIPOS TIPOS DE FORNOS ....................... ....................... 9 8 FORNOS FORNOS A ÓLEO OU GÁS ...................... .................................. ....................... ...................... ....................... ..................... ......... 10 8.1 CUIDADOS CUIDADOS E DIMENSIONAM DIMENSIONAMENTOS.. ENTOS............. ...................... ...................... ....................... ....................... ........... 10 9 ABUS ABUSOS OS E CONSEQUÊNC CONSEQUÊNCIAS IAS ...................... ................................. ....................... ....................... ...................... ............... .... 13 9.1 NATUREZA NATUREZA DO CADINHO.......... CADINHO..................... ....................... ....................... ...................... ....................... ..................... ......... 13 9.2 ARMAZENAGEM...... ARMAZENAGEM.................. ....................... ...................... ...................... ....................... ....................... ...................... ................. ...... 14 9.3 TRANSPORT TRANSPORTES ES........... ...................... ....................... ....................... ...................... ....................... ....................... ...................... ............... 15 9.4 APOIO ...................... .................................. ....................... ...................... ...................... ....................... ....................... ...................... ................. ...... 15 10 PROBLEMAS PROBLEMAS MAIS FREQUENTES FREQUENTES........... ....................... ....................... ...................... ...................... ................... ........ 16 10.1 DANOS MECÂNICOS MECÂNICOS ....................... .................................. ...................... ....................... ....................... ...................... ............... .... 16 10.1.1 Encunhamen Encunhamento to de Cargas Cargas ...................... .................................. ....................... ...................... ...................... ................... ........ 17 10.1.2 Trincas Trincas Devido Devido a Pancadas Pancadas........... ...................... ...................... ....................... ....................... ...................... ................. ...... 18 10.1.3 Quebras Quebras devido a expansão expansão do metal ..................... ................................. ....................... ...................... ............... 18 10.1.4 Danos causados causados por tenazes tenazes ....................... .................................. ....................... ....................... ...................... ............... 19 10.1.5 Limpeza Limpeza ...................... ................................. ....................... ....................... ...................... ....................... ....................... ...................... ............... 20 10.1.6 Descasca Descascamentos mentos (Spalling (Spalling)) ...................... ................................. ....................... ....................... ...................... ................. ...... 21 10.2 ATAQUE ATAQUE QUÍMICO QUÍMICO ....................... .................................. ....................... ....................... ...................... ...................... ................... ........ 21 10.2.1 Cuidados Cuidados com a escória ...................... ................................. ...................... ...................... ....................... ....................... ........... 22 10.2.2 Regras Regras básicas básicas ao se utilizar fluxos............................... fluxos.......................................... ...................... ................... ........ 23 10.3 OXIDAÇÃO................... OXIDAÇÃO.............................. ....................... ....................... ...................... ....................... ....................... ...................... ............... 24 REFERÊNCIA REFERÊNCIAS S ..................... ................................. ....................... ...................... ...................... ....................... ....................... ...................... ............... .... 27
3 1
INTRODUÇÃO
A Morganite do Brasil Industrial Ltda. e a Carbosil Industrial Ltda. são empresas do Grupo Morgan da Inglaterra que gera tecnologia há 138 anos , está presente em 35 países com mais de 150 empresas. No Brasil a primeira fábrica da Morganite foi fundada em 1958 e conta hoje com 4 divisões. Nestas fábricas, além dos cadinhos, são também fabricados produtos de alta tecnologia com aplicações nos mais variados seguimentos industriais, tais como massas para tamponamento de altos fornos e para canais de corrida de ferro gusa, fibras cerâmicas, refratários, equipamentos e lubrificantes especiais. A linha de cadinhos Salamander é produzida com a tecnologia Morgan, reconhecidamente a mais avançada tecnologia de cadinhos e refratários no mundo. A Morgan Crucible Company detém hoje cerca de 70 % do mercado mundial de cadinhos.
4 2
HISTÓRICO
Os cadinhos estão entre os artefatos mais antigos produzidos pelo homem. Os primeiros relatos que descrevem a utilização de cadinhos para fusão de metais datam de 9.000 A.C. Sua história está relacionada à Idade do Bronze quando o homem aprendeu a trabalhar e refinar os metais. Os primeiros cadinhos eram feitos a base de argila misturada a fibras vegetais para conferir uma maior resistência mecânica. Este processo de produção dos cadinhos não teve grande evolução até o século 18, quando se passou a adicionar carbono amorfo à argila, para conferir duas importantes características aos cadinhos; resistência ao choque térmico e maior condutibilidade térmica. Em 1820 desenvolveram um cadinho melhorado que continha grafite natural (plumbago) ligado com argila refratária. O grafite possui alta condutibilidade térmica, é quimicamente estável e altamente refratário. Somando, portanto, todas as propriedades ideais para um cadinho. Esta evolução levou a um aumento na vida útil dos cadinhos. Outro grande avanço na tecnologia dos cadinhos correu em 1935 com a introdução do carbeto de silício na composição da estrutura oferecendo ganhos ainda maiores na resistência ao choque térmico, à oxidação, condutividade térmica e no ataque químico.
5 3
O CADINHO
A finalidade do cadinho é fundir metais e mantê-los em fusão através da transmissão de calor de uma fonte de energia (óleo, gás, carvão ou eletricidade) externa a ele para a carga metálica. Quanto mais eficiente for esta transmissão de calor melhor será cumprida a finalidade do cadinho, ou seja, quanto melhor e mais eficiente for o forno que o contém, melhor será o trabalho da fusão. Vale lembrar que a exposição direta do metal a ser fundido à chama do queimador produz perdas grandes por oxidação do metal. A transferência de calor no caso do cadinho dá-se por duas maneiras principais: a condução e a irradiação. Os cadinhos existem nas mais variadas formas. Vários fatores influenciam as diferentes formas e composições de cadinhos, como por exemplo, os tipos diferentes de fornos onde são empregados e os diferentes metais que se deseja fundir. Outra maneira de se analisar as diferenças entre os vários tipos de cadinhos é através de uma análise dos seguintes aspectos: a)As propriedades que se deseja de uma cadinho. b)A forma física do cadinho. c)A composição do cadinho.
Figura 1: Cadinhos para fundição. 4
PROPRIEDADES DESEJÁVEIS
Para que um cadinho cumpra sua função da melhor maneira possível é preciso que ele tenha as seguintes propriedades: a)Boa condutibilidade térmica - eficiência na transmissão de calor. b)Refratariedade - capacidade de resistir a altas temperaturas sem perder suas características físicas e dimensionais. c)Resistência ao choque térmico - Suportar os sucessivos ciclos de aquecimento e resfriamento típicos das condições de operação dos cadinhos. d)Resistência à oxidação - Impedir ou diminuir o grau de oxidação dos
6 componentes carbonáceos da estrutura do cadinho. f)Resistência química - Suportar o ataque químico proveniente da escória e dos fluxos utilizados na operação. g)Resistência mecânica - Suportar golpes mecânicos ou mau uso do cadinho durante a operação. h)Forma Físicas Existem 5 formas físicas básicas para cadinhos que são denominadas de formatos "A", "B", "C", Cilíndricos e Barril. Os cadinhos no formato "A" são indicados para fornos que realizam tanto a fusão quanto a espera. Sua geometria pode atender a ambas as aplicações. O mesmo não ocorre com os cadinhos formato "B" que têm forma de bacia tomando-os mais adequados para fornos de espera, principalmente em operações do tipo "Bale-out", porém são menos eficientes para realizar a fusão. Os cadinhos formato "C" ao contrário do "B" são ideais para a fusão porém pouco eficazes para trabalho como forno de espera, pois têm pequena capacidade e sua forma alongada dificulta a retirada de material a não ser pelo basculamento. 5
COMPOSIÇÃO DO CADINHO
Outra maneira de se analisar os cadinhos é através de sua composição. Existem três composições básicas de cadinhos. São elas: Carbeto de Silício ligado a carbono - SiC Grafite ligado a carbono - GF Grafite – Argila - GA Tabela 1: Tipos e composições dos cadinhos. Tipos Grafite-argila Grafite ligado com Carbono Carbeto de Silício ligado com Carbono
Composição típica aproximada 35% de Grafite 3 5% de Grafite, 12% de Carbeto de Silício 30% de Grafite, 45% de Carbeto de Silício
Cadinhos Morgan no Brasil
-----------------Salamander GF Salamander C
5.1 CARBETO DE SILÍCIO LIGADO A CARBONO Como mencionado anteriormente, este cadinho foi o último a ser desenvolvido e é considerado como uma evolução dos outros. Como o SiC (carbeto de silício) não ocorre na natureza e sim trata-se de um material sintético desenvolvido pelo homem ao final do século passado. Foi somente neste século que suas propriedades foram avaliadas e aproveitadas em aplicações como esta. A utilização do SiC visa conferir ao cadinho maior condutibilidade térmica, resistência química e ao choque térmico e
7 à oxidação, que são quatro características fundamentais para qualquer cadinho. O cadinho chamado de carbeto de silício é na verdade uma composição de SiC e grafite ligados com carbono, possuindo como proteção uma frita cerâmica à base de boro-silicato. 5.2 GRAFITE LIGADO À CARBONO Este cadinho também possui em sua composição o carbeto de silício, porém em menor quantidade, sendo o seu principal componente o grafite. A principal vantagem deste cadinho em relação ao cadinho de carbeto de silício é sua capacidade de trabalhar com ferro fundido. 5.3 GRAFITE-ARGILA A principal característica deste cadinho com relação aos analisados anteriormente é que a liga entre os grãos que compõe sua estrutura é cerâmica, tendo portanto, boa resistência mecânica, porém apresentando menor condutibilidade térmica. 6
A ESCOLHA DO CADINHO
A primeira análise deve levar em conta o tipo de metal a ser fundido. As diferentes temperaturas de fusão, diferentes graus de ataque químico, etc., decidem qual a composição adequada do cadinho a ser utilizado. Outro aspecto muito importante é a forma de energia a ser utilizada. Os cadinhos de Grafíte-Argila são mais suscetíveis à oxidação nas condições operacionais de fornos elétricos devido à atmosfera oxidante, principalmente na temperatura de fusão e de manutenção de alumínio. Tabela 2: Propriedades típicas dos cadinhos de acordo com o material.
boa
Grafite ligado a Carbono boa
Carbeto de Silício com Carbono excelente
muita boa
boa
boa
boa
boa
excelente
regular
boa
excelente
regular
boa
boa
regular
boa
excelente
boa
boa
excelente
regular
regular
excelente
Fusão de ligas de Cobre
boa
boa
excelente
Fusão de Ferro
boa
boa
não recomendado
Propriedades Transferência de calor Refratariedade Resistência a choques térmicos Resistência a oxidação Resistência ao ataque de fluxo e escória Resistência à erosão metálica Performance média Fusão de ligas de Al. Manutenção de ligas de Al.
Grafite-argila
8 Para ligas de alta temperatura e para ferro é preferível usar cadinhos de grafite ligados a carbono. Tabela 3: Aplicação dos cadinhos de acordo com as formas de energia. Combustíveis fósseis Ordem de preferência Carvão SiC; GF; GA Óleo Gás Elétricos a resistência SiC Elétricos a indução GA 7
INSTALAÇÃO E PARTIDA
A instalação e a partida de um forno a cadinho se dão em duas etapas fundamentais para garantir o bom rendimento e a durabilidade do cadinho. Os procedimentos diferem dependendo do tipo de forno. 7.1 CUIDADOS NO FORNO ELÉTRICO A RESISTÊNCIA a)Verificar o revestimento refratário. b)Verificar as resistências. Resistências queimadas podem gerar zonas mais frias dentro do forno afetando assim o cadinho. E muito importante que o cadinho tenha uma homogeneidade de temperatura em seu corpo. c)Verificar se o canal de drenagem está fechado para minimizar a penetração de oxigênio reduzindo desta forma a oxidação do cadinho. Como nos fomos elétricos não se pode gerar uma atmosfera redutora como nos fornos à combustão, a entrada de oxigênio deve ser muito bem controlada.
Figura 2: Forno elétrico a resistência.
9 d)Entre 60 e 70mm, esta distância é reduzida em relação aos fornos a combustão para melhor aproveitar o calor radiante das resistências. Dependendo do tamanho do cadinho, a distância pode ser reduzida para até 45 mm (dependendo também da potência do forno). e)Em fornos fixos, entre o suporte e o cadinho coloque uma folha de papelão com 3 a 4 mm. f)Em fornos basculantes, neste caso o cadinho deve ser colado sobre um suporte bem como este à soleira do forno e utilizados calços para a fixação superior para suportar o cadinho. g)Centralizar a base. h)Centralizar o cadinho. i)Para o fechamento deve ser deixado um espaçamento de 30 mm e colocado uma selagem de fibra cerâmica pois esta é resiliente o suficiente para permitir a dilatação térmica do mesmo e impedir a entrada do oxigênio. j)Aquecimento deve ser feito até 1000°C diretamente , com patamar de 30 minutos nesta temperatura. k)Inspeção pré-carga. Em seguida já pode carregar o cadinho. 7.2 CUIDADOS APLICADOS A TODOS OS TIPOS DE FORNOS a)Jamais "curar" um revestimento refratário com o cadinho dentro do forno pois a umidade desprendida pelo refratário afetará o cadinho. b)Manusear sempre a base e o cadinho com um máximo de cuidado. c)Fazer um procedimento de instalação e partida do forno do tipo "check-list" e deixar afixada em local visível para que seja sempre observada e cumprida. d)Seguir atentamente as normas de carregamento. e)Evitar que o cadinho quente (ao rubro) fique vazio, carregá-lo o mais rapidamente possível ou deixar que se resfrie. Um cadinho quente e vazio oxida duas vezes mais rápido pois não há como criar atmosfera redutora. f)Promover a limpeza do cadinho regularmente e a quente para evitar a formação de óxidos e escória que têm uma dilatação térmica maior que a do cadinho podendo provocar trincas durante o reaquecimento. g)Esgotar totalmente o metal do cadinho após o término do turno pois metal solidificado dentro do cadinho quando reaquecido força a parede do mesmo. Os metais têm dilatação térmica muitas vezes superior à dilatação do cadinho. h)Após uma parada longa onde o cadinho chega a resfriar até a temperatura ambiente ou próximo desta, deve-se repetir o procedimento de partida como se
10 fosse a primeira corrida. i)Troque o anel de ferro toda vez que apresentar deformações ou trincas. j)Cadinhos que recebem carga de metal líquido requerem especial atenção, o cadinho deve estar a temperatura igual ou superior a do metal. Nunca abaixo. 8
FORNOS A ÓLEO OU GÁS
8.1 CUIDADOS E DIMENSIONAMENTOS Verifique as condições do refratário e que este esteja completamente seco. Note que deve ser deixado uma folga entre o cadinho e o refratário. Centralize o suporte e o cadinho. Usar um pedestal com o mesmo material do cadinho, para que se tenha as mesmas propriedades. O diâmetro da base dever ser igual ou maior que o diâmetro do fundo do cadinho. Dar especial atenção ao direcionamento do maçarico, recomendamos que este esteja centralizado no vão da câmara e entre o cadinho e a base. (desenho ao lado). Fechamento do forno – Tampa: a)Com exaustão lateral - Deixe uma folga de aproximadamente 30 mm entre a tampa e o topo do cadinho, em seguida preencha este vão com fibra cerâmica. b)Sem exaustão lateral - A folga entre o cadinho e a tampa deve ser maior, porém há de ser no máximo 120 mm.
Figura 3: Detalhe da instalação da região do bico do cadinho no forno.
11
Figura 4: Detalhes da instalação do cadinho no interior do forno. Em fornos basculantes, é necessário colar o cadinho sobre a base e a base no assoalho do forno, usando para isto, cimento refratário. É necessário o uso de três calços para fixação do cadinho dentro do forno, da seguinte forma: dois colados na parte superior fixado no forno e encostado no cadinho e ao lado do bico posicionado em ângulo aproximado de 30° em relação ao bico. O t erceiro calço deve ser colocado na parte superior do cadinho ao lado oposto do bico, deixando um espaço para dilatação, entre o calço e o cadinho de aproximadamente 5mm. Em fornos estacionários, usar um disco de papelão ou uma camada de grafite em pó entre o fundo do cadinho e a base para facilitar à retirada do cadinho de dentro do forno. Não há necessidade do uso de calços para fixação do cadinho. O bico do cadinho não deve encostar na parede do forno, deve-se deixar uma folga
12 de 30 mm que deve ser preenchida com fibra cerâmica.
Figura 2: Forno basculante.
Tabela 5: Dimensões da câmara entre o cadinho e a parede de refratário. TIPO DE CADINHO A l - A 50 A 60- A 150 A 200- A 600 A 1000 B 135 - B 175 B 250 - B 330 B 400 - B 600 TPC (Todos) TBC 135- 175 TBC 250 - 350 TBC 300/400/500/600
CÂMARA (C) (mm) LIFT-OUT BALE-OUT 80 60- 70 100- 120 70- 80 80 - 100 120 • 80 - 100 100 120-120 -
TOPO (mm) TILTING 80 - 100 80 - 100 100 100- 120
50 80 100 100 100 100 100 100 100 100 100
Lift-out = forno com sistema de levantamento do cadinho do interior do forno. Bale-out = forno a cadinho estacionário. Tilting = forno a cadinho basculante. Tipo de cadinho: conforme Morganite do Brasil Ltda (a consultar). C = espaço entre o cadinho e o refratário, veja na figura a seguir o detalhe.
13
Figura 6: Esquema do posicionamento do cadinho e do maçarico. O espaçamento entre a parede externa do cadinho e a parede interna do forno deve ser no mínimo de 70 mm, de acordo com a capacidade do cadinho. A linha de centro da chama do queimador deve estar sempre no mínimo 50 mm abaixo da linha do fundo do cadinho e a altura do pedestal (base) não deve ser menor que 160 mm. O queimador deve estar posicionado de forma que a chama bem regulada penetre tangencialmente ao espaço entre a parede da base e o revestimento do forno formando uma espiral ascendente que envolva todo o cadinho. 9
ABUSOS E CONSEQUÊNCIAS
A maneira de fundir varia de uma fundição para outra, e também a vida dos cadinhos varia de acordo com o tratamento dado a eles. Evidentemente a qualidade do metal e outros fatores de produção não podem ser sacrificados em função de uma melhoria na vida do cadinho, existem detalhes que podem prevenir abusos ou maus tratos a eles. Nesta seção tentamos explicar as maiores causas de falhas prematuras em cadinhos, mostrando assim o que pode ser melhorado nos processos de fundição e suas condições, melhorando assim a vida do cadinho. 9.1 NATUREZA DO CADINHO O cadinho é um corpo cerâmico e como tal devemos lembrar que possui porosidade, é suscetível ao choque térmico e apresenta baixa resistência ao impacto. a)Deve-se evitar a estocagem dos cadinhos em locais úmidos e inadequados. b)Deve-se evitar qualquer situação ou condição operacional que provoque ocorrência de choque térmico.
14 c)Deve-se evitar que o cadinho sofra qualquer tipo de impacto, pois os corpos cerâmicos não oferecem boa resistência. É comum que se confundam dureza com resistência ao impacto, embora o cadinho seja um corpo duro, a resistência ao impacto é baixa. Mesmo que após um impacto o cadinho não se trinque imediatamente, com os sucessíveis aquecimentos e resfriamentos cria-se na região do impacto pontos de tensão, e que eventualmente tomam-se trincas. Existe na parede dos cadinhos um verniz protetor (vitrificado) que tem como finalidade minimizar a oxidação dos componentes carbonáceos da estrutura do cadinho. Qualquer dano provocado neste vitrifícado pode acelerar a oxidação do mesmo reduzindo assim sua vida. Portanto, durante a movimentação, estocagem e manuseio do cadinho, deve-se procurar preservar a integridade do verniz. "Frequentemente considera-se erroneamente o verniz como sendo uma pintura de natureza estética e assim o tratam, reduzindo desta forma a vida do cadinho." Outra característica que diz respeito a natureza é sua dilatação térmica. Todo cadinho tem um crescimento em tomo de 0,36% em todas as dimensões quando aquecido. Se não for permitida esta expansão durante seu aquecimento, pontos de tensão serão imediatamente gerados nas paredes do cadinho, que fatalmente levarão a formações de trincas. 9.2 ARMAZENAGEM Frequentemente podemos observar cadinhos colocados no chão úmido ou pouco resguardado de intempéries. Quando um cadinho úmido é aquecido rapidamente, explode no forno, e esta explosão gera desde pedaços pequenos que se desprendem da superfície até uma completa desintegração do cadinho. Todos os cadinhos devem ser no mínimo, colocados perto de um forno quente por algumas horas antes de entrar em uso. Isto dará um aquecimento inicial suficiente para secar a umidade captada da atmosfera. Quando um cadinho estiver visivelmente molhado, deve-se secá-lo bem, por meio de um lento aquecimento, antes da primeira fusão. A armazenagem dos cadinhos deve obedecer às seguintes regras: a)Nunca encaixar um cadinho dentro do outro. b)Nunca armazenar os cadinhos em local úmido ou em contato direto com o solo. c)Procure colocar os cadinhos sobre paletes ou madeira. d)Antes de colocar um cadinho em operação, permita que ele fique próximo a um forno em operação por 1 (um) dia para que perca qualquer umidade que possa ter absorvido do ar.
15
Figura 7: Armazenamento. 9.3 TRANSPORTES Os cadinhos devem sempre ser manuseados com cuidado, pancadas e quedas geralmente resultam em algum dano seja por abrasão do verniz protetor ou por enfraquecimento de parede que mais tarde pode tornar-se uma trinca. Um dos piores métodos de transporte de cadinhos observados é o de se mover o cadinho rolando pelas bordas do fundo, um processo fácil porém que causa grandes danos principalmente nos cadinhos de tamanho maior e mais pesados. Este tipo de transporte esmaga todo material do fundo e destrói a camada de verniz protetor que começa a lascar, ocasionando oxidação prematura dos materiais carbonáceos e consequente perda da resistência mecânica da região afetada. Procure sempre movimentar o cadinho sobre rodas e não rolando este sobre o piso. Tomando estes cuidados haverá menos possibilidade de comprometer seu cadinho.
Figura 8: Transporte. 9.4 APOIO Bases mal aplicadas são, sem dúvida, uma das causas mais frequentes das falhas prematuras de cadinhos. A base tem um papel muito importante no bom funcionamento de cadinho. Abaixo descrevemos as regras básicas para utilização das mesmas. a)A base tem que ter área igual ou maior que o fundo do cadinho. Se o cadinho não for totalmente suportado pela base, as partes sem apoio tendem a descer provocando, desta forma, trincas no fundo do cadinho. Lembre-se de que o cadinho,
16 quando aquecido ao rubro, não têm a mesma resistência que a frio, pois sua composição o toma plástico. Quando carregado e aquecido, ele tende a se acomodar sobre a base, se esta não oferecer o apoio adequado, formar-se-ão pontos de tensão que poderão transformar-se em trincas.
Figura 9: Posicionamento sobre o pedestal. b)Centralizar o cadinho sobre a base. Embora pareça óbvio, não é difícil encontrar bases mal centradas. De nada adianta ter uma base de tamanho adequado porém mal centrada sob o cadinho, o efeito é o mesmo de uma base de tamanho insuficiente. c)O material da base deve ser o mesmo do cadinho. Lembre-se que todo material possui um índice de dilatação térmica diferente. Um cadinho com sua dilatação térmica apoiado sobre uma base cuja dilatação não acompanhe esta dilatação poderá gerar pontos de tensão. Embora este não esteja entre as causas mais frequentes de problemas nos cadinhos, sempre é bom evitar qualquer forma de agressão ao mesmo. Lembre-se que este é um equipamento que normalmente trabalha cheio de metal líquido. d) Nunca utilize uma base trincada, pois a trinca tende a se propagar para o fundo do cadinho. 10 PROBLEMAS MAIS FREQUENTES Os problemas mais frequentes encontrados nos casos de falhas prematuras de cadinhos podem se classificados como, danos mecânicos, choque térmico, ataque químico e oxidação. Muitas vezes mais de um destes fatores ocorre simultaneamente. Segue abaixo uma relação das causas mais comuns. 10.1 DANOS MECÂNICOS a)Impedimento da dilatação do cadinho. b)Cadinho apoiado pelo bico. c)Carregamento mal feito. d)Tenaz mal dimensionada ou mal utilizada. e)Calota e escória (falta de limpeza). f)Aderência do cadinho ao apoio. A correta colocação do cadinho no forno é muito importante. Em fomos basculantes onde os cadinhos necessitam de espaço para poder expandir, por serem sustentados por tijolos laterais, deve ser deixado um espaço de ao menos 3 mm entre eles. O método mais fácil de se manter este afastamento, é inserindo uma
17 folha de papelão que será queimada no primeiro contato com o calor. Se o cadinho ficar preso pelos tijolos, de forma a não permitir a dilatação térmica, este poderá trincar. Da mesma forma, nos fornos de manutenção, os cadinhos não devem ser presos nos tijolos superiores. Os cadinhos com bico devem ter um espaçamento de 40 mm para permitir qualquer acomodação do cadinho e do apoio que possa ocorrer. Se este espaço for menor, ao assentar-se o cadinho o mesmo poderá ficar suspenso pelo bico o que provocará uma trinca horizontal logo abaixo do bico. Grande dano também pode ser causado pela falta de cuidado no carregamento do cadinho. O melhor método de se carregar um cadinho com lingotes e pedaços de metal consiste na cuidadosa colocação de cada peça por meio de pinças. O costume de deixar cair ou jogar pedaços de metal dentro do cadinho frequentemente leva a falhas precoces. Os mais sérios danos por mau carregamento são encunhamento de carga e trincas devido a pancadas. 10.1.1 Encunhamento de Cargas Se um lingote ou algum outro grande pedaço de metal frio encunhar-se no sentido transversal do cadinho, a subsequente expansão térmica do metal forçará e trincará o cadinho. Os tipos mais comuns destas trincas são verticais ou ainda em forma de estrela, e todas elas são centradas em relação ao ponto que sofreu internamente a pressão.
Figura 10: Carregamento.
18
Figura 11: Posicionamento da carga no cadinho. 10.1.2 Trincas Devido a Pancadas Se jogarmos ou deixarmos cair pedaços de metal dentro do cadinho, isto poderá resultar em trincas de base ou paredes, ocasionadas por impacto direto ou transmissão do choque. A primeira, ou mesmo a segunda pancada talvez não cause a trinca, mas qualquer choque mecânico ou térmico é acumulativo, isto é, alguns choques pequenos podem eventualmente produzir os mesmos resultados de uma pancada forte. Os choques de impacto normalmente produzem uma trinca circular, irradiando-se conicamente para fora a partir do ponto de impacto. No entanto, as vezes nos fomos basculantes que são carregados na posição inclinada, aparecem trincas curtas verticais na parede central dianteira devido também a impactos. Outro tipo de dano causado por mau carregamento são ranhuras na parede do cadinho em fornos basculantes, causadas por escorregamento de pedaços de metal com cantos aguçados.
Figura 12: Ruptura do cadinho. 10.1.3 Quebras devido a expansão do metal Este tipo de falha é causada pela solidificação de metal fundido dentro do cadinho no final da jornada de trabalho. No reaquecimento o metal expande-se causando trincas múltiplas ou verticais na parte inferior da parede estendendo-se pela base. Quando este tipo de trinca ocorre, a superfície interna do cadinho que está em contato com o metal fica limpa e livre da escória e isto permite distinguir a trinca
19 ocasionada pela solidificação do metal da trinca ocasionada por choque térmico. Outra causa frequente de falha é a solidificação do metal, com consequente quebra do cadinho, devido a adição de metal frio em pequena quantidade de metal derretido. Grande quantidade de metal frio adicionada a pequena quantidade de metal líquido acaba por congelar o metal, este em seu reaquecimento irá dilatar mais que o cadinho conforme já visto anteriormente.
Figura 13: Carga solidificada dentro do cadinho.
Figura 14: Esvaziamento do cadinho. 10.1.4 Danos causados por tenazes Tenazes inadequadas ou descuido em seu uso podem causar muitas quebras em cadinhos que são retirados dos fomos para vazamento (forno-poço). A tenaz deve prender o cadinho no terço inferior, sendo que as garras devem se adaptar perfeitamente à sua circunferência. Os arcos da tenaz devem ser curvados de tal forma que não entrem em contato com as bordas do cadinho. Os danos mais comuns causados por tenazes mal ajustadas são trincas a partir da borda superior, acompanhada de ovalização. Quando isso ocorre, observa-se frequentemente a marca deixada pela tenaz.
20 As tenazes também são usadas no manejo de cadinhos vazios. Estas nunca devem pegar o cadinho junto a borda, pois poderá resultar m quebras, especialmente se as paredes já estiverem desgastadas.
Figura 15: Poscionamento da tenaz. 10.1.5 Limpeza Outra causa muito comum de dano mecânico provem da falta de cuidado na raspagem (limpeza) ou escumação. As ferramentas usadas para este fim nunca devem ser afiadas ou pontiagudas, pois isso causará um rápido desgaste interno e enfraquecimento das paredes. Não se deve permitir que cadinhos que são retirados dos fomos para vazamento colem aos apoios. Para prevenir isto basta colocar uma folha de papelão entre o cadinho e o apoio, que agirá como meio de separação. Se o cadinho ficar colado ao suporte, este deve ser solto com muito cuidado. Girar ou balançar na parte superior pode casionar a quebra da base do cadinho.
Figura 16: Limpeza do cadinho.
21 10.1.6 Descascamentos (Spalling) a)Aquecimento desigual. b)Apoio de cadinho quente sobre superfície fria. c)Forno com regiões em diferentes temperaturas. Os cadinhos são feitos para resistir a um aquecimento razoavelmente rápido. Durante o aquecimento aparecem tensões internas, pois algumas áreas aquecem mais rapidamente que outras. Geralmente, o calor fica concentrado na parede inferior que se aquecem mais rapidamente do que o centro da base ou as bordas superiores; da mesma forma, a face externa aquece mais rapidamente do que a interna. A expansão térmica desigual tensiona as áreas mais frias, sendo que com a homogeneização da temperatura tal tensão desaparece. Um aquecimento muito rápido ou localizado acentuará a tensão térmica principalmente nos cadinhos de maior porte, o que pode resultar em trinca por aquecimento desigual (spalling ou choque térmico). Neste caso, trincas por spailing são, ou verticais estendendo-se da borda superior para baixo, ou através da base com uma ou ambas as pontas estendendo-se para cima. Isto é frequentemente acompanhado por ataque ao verniz, que se desprende em escamas. Da mesma forma um cadinho quente que for vazado e deixado em cima de um grande pedaço de metal frio, ou colocado no chão frio, pode sofrer uma trinca por spailing, devido ao efeito de rápido resfriamento. Em casos extremos, a base do cadinho se desprenderá. O risco de “spalling” pode ser evitado pelo aquecimento bem distribuído dos cadinhos até que fiquem vermelhos, evitando-se também a ação direta da chama. Os cadinhos devem ser sempre aquecidos vazios. Quando todo o cadinho estiver rubro, efetua-se a carga. Quanto menor for o número de vezes que se aquece o cadinho a partir de frio, tanto melhor. Cadinhos destinados a transporte de metais também devem ser pré-aquecidos à mesma temperatura do metal antes de ser carregado. 10.2 ATAQUE QUÍMICO Geralmente a origem do ataque químico está associada ao uso de fluxos usados para o tratamento da escória, desgaseificação, refino de grão e modificação da microestrutura. O uso em excessivo destes materiais e ausência de limpeza do cadinho reduzem a vida dos cadinhos, eles podem ser considerados um mal necessário.
22 Tabela 5: Tipos de fluxos usados para tratamentos de ligas de alumínio e cobre. Finalidades
Componentes
Modificação da microestrutura
NaCl; NaF
Eliminação de impurezas
NaCl; NaF Criolita (3NaF.AlF2)
Sódio metálico
Hexacloretano N2; Cl2 Cobertura do banho contra BaCl2; Coque ou carvão a oxidação e absorção de vegetal (usados em cobre gás. e suas ligas) Desgaseificação
Danos ao cadinho Atacam severamente por efeito cumulativo. Menos agressivo. Atacam moderadamente devido a pouca dosagem (0,5%). Não atacam o cadinho. O cloro afeta o ambiente. Não atacam o cadinho.
Muitos fluxos ou escórias formadas durante a fusão atacam o cadinho. Portanto, deve ser usado o mínimo de fluxo, adicionando-o à corrida o mais tarde possível, naturalmente em uma etapa que não seja prejudicial à boa qualidade do metal. Fluxos de modificação são particularmente agressivos aos cadinhos, pois penetram nas paredes, causando expansão com múltiplas trincas verticais e horizontais. Também, nas temperaturas externas muito mais altas, o fluxo combina com o verniz, reduzindo consideravelmente seu ponto de fusão tomando-o muito líquido. Nesta etapa ocorre uma erosão externa muito rápida. A penetração de fluxo também toma o cadinho mecanicamente mais fraco. Os fluxos de limpeza colocados nos cadinhos antes da carga fundem bem antes do metal causando erosão interna da base e das paredes inferiores do cadinho. Para diminuir ao máximo esta erosão interna, deve ser usado um fluxo na forma de pó e pulverizado por cima da carga quando esta começa a derreter. Escórias formadas durante a fusão também causam erosão interna, principalmente nas linhas da superfície do metal ou pouco acima, isto pode ser reduzido por espessamento da escória com areia e sua remoção antes do vazamento. O metal nunca deve ser deixado na temperatura do vazamento por mais tempo do que o necessário, pois isto acentua a erosão. Às vezes a erosão ocorre na parede oposta ao bico dos cadinhos em fomos basculantes devido ao movimento da escória durante o vazamento. Fundição com cobertura de carvão oferece outro meio de redução da erosão interna na superfície do metal, visto que isto elimina a necessidade do fluxo de cobertura e ajuda na formação de uma atmosfera redutora. 10.2.1 Cuidados com a escória Os cadinhos devem ser regularmente raspados, de preferência após cada corrida, e no mínimo uma vez por dia. Se permitirmos que a escória se acumule, ela endurecerá e tonar-se-a muito difícil de ser removida. A raspagem regular ajuda a manter o cadinho livre de fluxo e escória. A escória é um isolante térmico e portanto, exige uma temperatura externa muito
23 mais alta que a necessária e consequentemente causará um ataque de fluxo muito mais rápido, encurtando dessa forma a vida do cadinho. Além disto o coeficiente de dilatação da escória é muito maior que a do cadinho. Portanto, se a escória se acumular e endurecer, poderá ocasionar o rompimento do mesmo. As trincas provocadas por escória são similares às outras trincas causadas por razões mecânicas.
Figura 17: Desgaste devido a fluxos. 10.2.2 Regras básicas ao se utilizar fluxos a)Em cada fusão, adicionar os fluxos mais tarde possível antes de vazar para que o tempo de permanência deste em contato com as paredes seja o mínimo possível. b)Utilizar a quantidade mínima de fluxo possível. Evitar a colocação “a olho”. Recomenda-se deixar disponível um recipiente com a capacidade igual a quantidade necessária. É preciso ter em mente que o cadinho é um corpo poroso e que estes produtos químicos penetram pela estrutura da parede de dentro para fora. Ao migrarem para a parte externa do cadinho, estes encontram a região de temperatura mais elevada e reagem com o verniz comprometendo desta forma a estrutura do cadinho. c)A limpeza da escória é de suma importância nos casos em que se utilizam fluxos. Normalmente a escória contém os elementos utilizados como fluxo. A escória adere à parede do cadinho promovendo então o contato direto entre os elementos químicos nocivos e a estrutura do cadinho. A escória funciona como um isolante térmico, pois não possui a mesma condutibilidade térmica do cadinho. Desta forma, para manter a mesma temperatura interna será preciso uma temperatura externa mais elevada e consequentemente maior será o ataque dos fluxos ao cadinho. Portanto, a presença de uma camada isolante como a escória também deve ser evitada. Se não for feita uma limpeza adequada a somatória deste dois fatores diferentes irá agravar o ataque químico.
24 d)Adicionar sempre ao banho já líquido. e)Adicionar sempre no centro do banho, longe das paredes do cadinho. 10.3 OXIDAÇÃO A oxidação ou combustão dos materiais derivados de carbono no cadinho, enfraquece-o e reduz sua condutibilidade térmica. O material oxidado tende a descascar, afinando as paredes do cadinho. Por isso, danos ao verniz protetor devem ser evitados. Sempre que as condições metalúrgicas permitirem, a fusão e manutenção dos metais devem ser feitas em atmosfera ligeiramente redutora ou neutra. As aberturas dos fomos para limpeza e drenagem devem ser conservadas fechadas durante todo o tempo em que os fomos estiverem sendo utilizados. Os registros dos maçaricos referentes ao combustível e ar devem sempre ser fechados ao mesmo tempo para evitar a injeção de ar frio dentro da câmara. A oxidação de um cadinho significa uma alteração química e física de seus produtos carbonáceos, sendo um processo de envelhecimento de peças que trabalham em baixas temperaturas e ocorre da seguinte forma: a)Oxidação do carbono ligante – Perda da resistência mecânica. b)Oxidação do grafite – Perda da condutibilidade térmica. c)Oxidação do SiC – Grande perda da resistência mecânica a quente (diminuição de refratariedade sob carga) e observa-se mudanças para coloração amaronzada com inchaço e gretamento. Para se controlar e retardar o início desse processo é que são aplicados vernizes de alta e baixa temperatura que reagem com suas matérias primas formando uma capa vítrea protetora fazendo, portanto, com que o cadinho atinja vidas médias maiores. Por exemplo, se for rompido e analisado um cadinho utilizado em forno elétrico após uma vida útil normal, observa-se que esta oxidação afeta de forma uniforme toda a parede externa do mesmo, bem como a borda superior interna que não é molhada pelo metal fundido, mostrando neste caso diversas gretas em vários pontos.
25
Figura 18: Ataque devido a chama.
Figura 19: Cadinho oxidado.
26
Figura 20: Oxidação do cadinho devido a posição da chama.
27
REFERÊNCIAS MORGANITE DO BRASIL LTDA e CARBOSIL INDUSTRIAL LTDA. Treinamento sobre cadinhos – instalações, uso e cuidados. São Bernardo do Campo. MORGANITE DO BRASIL LTDA. Manual de fundição a cadinho. São Bernardo do Campo, 2005.
