O material de carga é o maior custo variável individual na fusão por indução — e a variável que afeta mais diretamente a taxa de fusão, o consumo de energia e a qualidade do metal. Um programa de carregamento cuidadosamente gerenciado pode reduzir o consumo de energia em 10 a 15% e melhorar a taxa de fusão em uma quantidade comparável, em relação ao carregamento com qualquer sucata disponível.
A MONTE INTELLIGENCE fornece recomendações de materiais de carga como parte do nosso fornecimento para fornos de indução. Este artigo aborda os princípios de seleção, preparação e gerenciamento de carga para a fusão por indução de ferro e aço.
O material de carga para fusão por indução se divide em várias categorias: retornos de fundição (canais de alimentação, massalotes e peças fundidas descartadas da própria fundição), sucata de aço comprada (de comerciantes de sucata, normalmente classificada por grau), ferro-gusa (ferro virgem de alto-forno ou redução direta) e adições de liga (ferro-ligas, agentes de cementação e outros materiais adicionados para ajustar a composição química).
A carga ideal é uma mistura que proporciona a composição química desejada com correções mínimas, funde uniformemente sem formação de pontes e tem o menor custo por tonelada de metal líquido. Alcançar esse ideal exige o equilíbrio entre as propriedades metalúrgicas e o custo de cada componente da carga.
A distribuição do tamanho da carga é importante para a eficiência da fusão em fornos de indução. O mecanismo de aquecimento por indução — correntes parasitas geradas pelo campo magnético alternado — penetra na carga até uma profundidade chamada profundidade de referência, que depende da frequência e das propriedades elétricas do material da carga. Para o ferro a 1000 Hz, a profundidade de referência é de aproximadamente 7 mm. O aquecimento ocorre principalmente nessa camada superficial, e o calor então se propaga para o interior.
Uma carga composta por peças grandes e sólidas — por exemplo, aparas de aço com 200 mm de diâmetro — aquece apenas a 7 mm da superfície até que o calor se propague para o centro. A superfície pode derreter enquanto o centro ainda está frio, levando à formação de pontes, onde uma peça parcialmente derretida forma um arco através do forno que impede que o restante da carga desça para o metal fundido. Uma carga com uma variedade de tamanhos — de sucata triturada de 10 mm a sucata pesada de 150 mm — se acomoda de forma mais uniforme no forno e derrete com mais eficiência, porque as peças menores preenchem os espaços entre as peças maiores e aumentam a relação superfície/volume efetiva.
A limpeza da carga é crucial para a qualidade do metal e a vida útil do revestimento do forno. A ferrugem (óxido de ferro) aumenta o volume da escória, consome energia (a redução de Fe₂O₃ a Fe requer carbono e energia) e ataca o revestimento de sílica (o FeO é um fundente para refratários de sílica, reduzindo a vida útil do revestimento). Óleo e graxa na carga produzem fumaça durante a fusão — um problema ambiental e de emissões na oficina — e podem introduzir hidrogênio no metal, causando porosidade nas peças fundidas. Areia e sujeira na carga aumentam o volume da escória sem contribuir com qualquer metal recuperável.
O pré-aquecimento da carga é uma técnica utilizada em fornos de indução de maior porte (acima de aproximadamente 5 toneladas) para melhorar a eficiência. O pré-aquecimento da carga a 400-600 °C antes do carregamento remove a umidade (eliminando o risco de explosões de vapor caso a carga úmida entre em contato com o banho de metal fundido), queima o óleo e os contaminantes orgânicos (reduzindo a fumaça e a absorção de hidrogênio) e reduz a energia elétrica necessária no forno (o pré-aquecedor utiliza gás natural, que tem um custo menor, em vez de eletricidade). Um pré-aquecedor de carga pode reduzir o custo total de fusão em 5 a 10%, dependendo dos preços relativos do gás natural e da eletricidade.
A sequência de carregamento afeta a taxa de fusão e a segurança. A primeira carga em um forno frio deve ser composta por pedaços menores que se acomodem bem nas paredes e proporcionem boa aderência à serpentina — eles aquecem mais rápido e ajudam a aquecer o revestimento do forno de maneira uniforme. Assim que uma poça de metal líquido se formar, pedaços maiores podem ser adicionados, pois o metal líquido ao redor deles melhora a aderência. A carga final deve deixar espaço livre suficiente (a distância da superfície do metal fundido até o topo do cadinho) para permitir a agitação e a adição de elementos de liga.
A formação de pontes é um problema operacional que todo forno de fusão por indução já enfrentou. Um pedaço da carga forma uma ponte sobre o diâmetro do forno, acima do material fundido, impedindo que a carga acima desça para o material fundido. O material fundido abaixo continua a aquecer e pode superaquecer a temperaturas que danificam o revestimento refratário. Para evitar a formação de pontes, é necessário dimensionar corretamente a carga (nenhum pedaço maior que cerca de um terço do diâmetro do forno), carregá-la com cuidado (nenhum pedaço grande deve ser colocado no forno na horizontal) e monitorar atentamente o processo de fusão.
Para fundições que trabalham com múltiplas ligas, a contaminação cruzada entre elas representa um risco para a qualidade. Um forno que acabou de fundir ferro fundido nodular (contendo magnésio) e, em seguida, é carregado com sucata de ferro fundido cinzento (que não deve conter magnésio) pode produzir peças fundidas fora das especificações se o revestimento retiver magnésio da fusão anterior. A solução consiste em utilizar fornos dedicados para cada família de ligas ou em realizar uma limpeza completa do forno entre as trocas de liga, incluindo a raspagem do revestimento para remover metal e escória aderidos.
A MONTE INTELLIGENCE oferece consultoria em materiais de carga como parte de nossos projetos de fornos de indução, incluindo especificação de sucata, otimização da mistura de carga e integração de pré-aquecedores.
Para recomendações sobre materiais de carga para sua fundição, entre em contato com helenxu@cnlymonte.com.
