Seleção de cadinhos para forno de indução: argila-grafite, carboneto de silício e alumina para diferentes ligas.
O cadinho é o consumível que determina a vida útil de um forno de indução entre revisões. Se o cadinho estiver errado, o forno precisará de revestimento a cada 50 ciclos de aquecimento, em vez de a cada 500. Se estiver certo, a linha de produção funcionará por meses. O cadinho ideal depende da liga que está sendo fundida, do tamanho do forno, da potência de entrada e da experiência do operador. Não existe um cadinho universalmente ideal.
Eis como a decisão crucial é tomada na prática.
Comece pela liga metálica.
O ferro e o aço fundem a temperaturas entre 1150 e 1600 graus Celsius, dependendo do teor de carbono e dos elementos de liga adicionados. O cadinho deve suportar a temperatura máxima de fusão, além de uma margem de segurança. A temperatura de trabalho do material do cadinho deve ser de 100 a 200 graus Celsius superior à temperatura máxima de fusão.
Para ferro e aço, o cadinho padrão é o de argila-grafite (também chamado de argila-grafite ligada ou argila-grafite prensada histostática). O cadinho de argila-grafite é uma mistura de grafite (tipicamente de 30 a 50%) e argila refratária (tipicamente de 50 a 70%), prensada ou compactada e queimada. A grafite confere ao cadinho resistência ao choque térmico e lubrificação. A argila confere ao cadinho resistência mecânica e à erosão.
Um cadinho típico de argila-grafite para um forno de indução de 1 tonelada tem uma espessura de parede de 50 a 80 mm, uma altura de 800 a 1000 mm e um diâmetro externo de 600 a 800 mm. O cadinho fica dentro de uma serpentina de cobre refrigerada a água, com uma camada refratária de suporte (tipicamente de 10 a 30 mm de areia de sílica seca ou fibra cerâmica) entre o cadinho e a serpentina.
O cadinho de argila-grafite possui boa resistência ao choque térmico – ele pode passar do frio ao aço fundido sem rachar, o que é crucial para a operação de fornos de indução, onde o cadinho aquece e esfria a cada turno. A desvantagem é que a argila-grafite é consumida pelo metal fundido – o óxido de ferro na escória ataca a sílica da argila, o carbono da grafite se dissolve no metal fundido e a parede do cadinho se torna mais fina com o tempo. Um cadinho típico de argila-grafite dura de 100 a 300 ciclos de fusão em um forno de indução para aço, dependendo do tamanho, da potência e das práticas de tratamento da escória.
Para ligas de alta temperatura e maior vida útil, os cadinhos de carboneto de silício (SiC) são uma opção. O cadinho de SiC é mais resistente à erosão do que o de argila-grafite, principalmente em escórias agressivas. A desvantagem é que o SiC é mais caro e mais quebradiço – não suporta choque térmico tão bem quanto a argila-grafite. Os cadinhos de SiC são comuns na fusão de cobre e latão, onde a temperatura de operação é mais baixa e o choque térmico é menos severo.
Para a fusão de alumínio e zinco, o material padrão para o cadinho é a alumina (Al₂O₃) ou um refratário com alto teor de alumina. A temperatura de trabalho do alumínio varia de 660 a 750 °C, bem abaixo do limite da maioria dos materiais refratários. O desafio reside no fato de o alumínio fundido ser altamente reativo – ele ataca os refratários à base de sílica, reduzindo a sílica a silício, que se dissolve na massa fundida. O resultado é uma liga de alumínio com alto teor de silício, um cadinho corroído e uma massa fundida contaminada.
Os cadinhos de alumina resistem ao ataque do alumínio porque a alumina é termodinamicamente estável em contato com o alumínio fundido. A desvantagem é que a alumina é mais cara e mais quebradiça do que o cadinho de argila-grafite. Um cadinho de alumina típico para fusão de alumínio dura de 500 a 2000 ciclos de fusão, muito mais do que um cadinho de argila-grafite no mesmo período de uso.
Para a fusão de cobre e latão, os cadinhos de carboneto de silício são o padrão. O SiC suporta temperaturas de 1000 a 1300 °C para o cobre, resiste à escória de óxido de cobre e possui boa resistência ao choque térmico durante o ciclo de aquecimento por indução. Um cadinho de SiC para fusão de cobre dura de 300 a 1000 ciclos de aquecimento.
Para metais preciosos (ouro, prata, platina), o cadinho padrão é de sílica fundida ou alumina de alta pureza. O cadinho precisa ser quimicamente inerte (sem contaminação da fusão) e termicamente estável. O custo é alto, mas o volume é baixo.
O formato e o tamanho do cadinho também importam.
Os cadinhos de fornos de indução são tipicamente cilíndricos, com fundo plano ou arredondado. O diâmetro e a altura são determinados pelo tamanho do forno e pela capacidade de fusão. Um forno de 500 kg possui um cadinho com cerca de 400 mm de diâmetro e 600 mm de altura. Um forno de 5 toneladas possui um cadinho com cerca de 900 mm de diâmetro e 1500 mm de altura. Um forno de 20 toneladas possui um cadinho com cerca de 1500 mm de diâmetro e 2500 mm de altura.
A espessura da parede é proporcional ao tamanho do cadinho — cadinhos maiores precisam de paredes mais grossas para suportar a carga mecânica do metal fundido. Um cadinho pequeno pode ter uma parede de 30 mm, enquanto um cadinho grande pode ter uma parede de 100 mm.
O design do fundo do cadinho é um detalhe crucial. Um fundo plano é mais fácil de fabricar, mas concentra a tensão térmica nos cantos. Um fundo arredondado distribui a tensão de maneira mais uniforme e é preferível para cadinhos grandes e para operação em alta potência. A maioria dos cadinhos de fornos de indução de grande porte possui fundo hemisférico ou cônico.
A instalação do cadinho leva de 4 a 8 horas para um forno de tamanho médio.
A instalação começa com a limpeza da serpentina e do refratário de suporte. Qualquer resíduo de metal, escória ou detritos do cadinho anterior deve ser removido. O novo refratário de suporte é instalado – normalmente uma camada de areia de sílica seca compactada no local, ou uma placa de fibra cerâmica pré-moldada.
Em seguida, o cadinho é baixado para dentro do forno. O alinhamento deve ser concêntrico com a bobina — um cadinho desalinhado cria acoplamento eletromagnético irregular, pontos quentes e falha prematura. O cadinho é centralizado usando um dispositivo de fixação e, em seguida, o espaço entre o cadinho e o suporte é preenchido com areia ou fibra cerâmica.
O novo cadinho é sinterizado (aquecido) antes da primeira fusão. O ciclo de sinterização eleva a temperatura gradualmente de 800 a 1000 graus Celsius ao longo de 4 a 8 horas, eliminando qualquer umidade e estabilizando o cadinho. Após a sinterização, o primeiro metal fundido é carregado e o cadinho entra em operação.
Um cadinho novo requer manuseio cuidadoso nas primeiras 10 a 20 aplicações. O choque térmico de uma carga fria atingindo um cadinho quente pode rachar até mesmo um cadinho bem instalado. Os operadores normalmente carregam a primeira carga com 50 a 70% da capacidade do cadinho, fundem-na e a despejam antes de carregar a primeira carga completa. Esse processo de "cura" estabiliza o cadinho e prolonga sua vida útil.
Os modos de falha do Crucible são uma realidade operacional.
O modo de falha mais comum é o afinamento da parede. A escória e o metal fundido atacam a parede do cadinho, a parede fica mais fina e, eventualmente, falha. O operador percebe isso como um aumento gradual na instabilidade da temperatura do metal fundido, já que a parede do cadinho deixa de isolar o metal fundido do resfriamento da serpentina. A solução é revestir o forno com um novo cadinho.
O segundo modo de falha mais comum é o surgimento de fissuras. Um choque térmico (carga fria, interrupção de energia ou infiltração de escória) cria uma fissura na parede do cadinho. A fissura pode ser pequena (um fio de cabelo que não penetra na estrutura) ou grande (uma fissura que permite que o metal fundido vaze para a serpentina). Uma pequena fissura às vezes pode ser controlada por algumas aplicações, mas uma fissura grande é uma emergência: incline o forno, despeje o metal fundido e desligue-o.
O terceiro modo de falha é a penetração de metal. O metal fundido penetra nos poros do cadinho, criando uma ponte metálica entre o metal fundido e a bobina. O resultado é um caminho para a corrente elétrica através do cadinho, que aquece de forma irregular, e a falha se acelera. A penetração de metal geralmente é causada por um refratário de suporte inadequado, um cadinho subsinterizado ou potência excessiva durante os primeiros aquecimentos.
Autora: Equipe de engenharia de fornos de indução da MONTE INTELLIGENCE. Para seleção de cadinhos e estudos de ciclo de vida, entre em contato com helenxu@cnlymonte.com.
