Apostila Forno de Fusão e Copelação

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Projeto dimensionamento 
e especificação 
Práticas de campo/ Montagem/ Fabricação
Fornos de Fusão e Copelação
Onde se aplica ?
Detalhamento ?
O que se faz ?
Mercados ?
Materiais ?
Função ?
Carga Térmica ?
Por onde começar ?
1- Qual o material a ser tratado
2- Massa de aquecimento ( Kg, Ton )
3- Calor específico da carga ( Cal/g°C)
4- Tipos de materiais de Revestimento
a) Isolante 
b) Refratário
c) Calor específico destes
5- Massa de material de revestimento
6- Calor armazenado – “Encharque”
Procedimento Metodológico
Definição de potência
Estabelecimento da 
carga Térmica
Caso hipotético
Projetar forno para fundir 7 a 8 kg de alumínio
Material: Alumínio com pureza de 99,8%
Volume útil aproximado: 183 pol³, 3 Litros.
Tipo de aquecimento: Elétrico -Resistencia elétrica-
Temperatura de fusão do Alumínio: 660 °C
Temperatura máxima de trabalho: 800°C
Chaparia: Aço carbono ASTM A-36
Definição de potência
Estabelecimento da 
carga Térmica
Potência: J/s
Energia: 1 Cal = 4,186J
Poder calórico do Alumínio ( 800 °C): 1089 J/kg.°C
Tempo de aquecimento: 45 minutos 
Definição de potência
Memória de cálculo:
Q= 8 kg x ( 1089 j/kg.°C ) x ( 800 -25 ) °C = 6.751.800 Joules
6.751.800 Joules 
2700 seg ( 45 minutos ) 
2500,67 W 
Definição de potência
Perdas / Rendimento / tempo
P(f) = 312,5 kW x 0,008 ton
0,6 x 0,75 (horas )
5,55 kW 
P(f) = 335 kW x 0,008 kg 
0,6 x 0,75
5,95 kW 
Memória de 
Cálculo teórica 
Ábaco/ Tabela
Especificação do elemento 
Resistivo
Resistividade / modelo de resistência / distribuição na fornalha
Um pouco sobre resistividade
Conceitos / Especificação / Variáveis
Extraindo os dados do catálogo 
do Fabricante
Extraindo os dados do catálogo 
do Fabricante
Extraindo os dados do catálogo 
do Fabricante
Extraindo os dados do catálogo 
do Fabricante
L Comprimento total do fio ( mm )
D diametro externo do suporte / bastão ( mm )
s passo do fio ( mm )
Le Comprimento total do enrolamento ( suporte ) ( mm )
𝟐
Calculando resistência total do 
elemento de aquecimento
Para diminuir a tensão de alimentação e isolar o equipamento da rede 
elétrica será utilizado como solução um transformador , com a relação 
3,6: 1, com entrada de 220 V e saída de 61,1 V, um valor bem próximo 
de 50,01 V definido em projeto
Compilação dos dados 
calculados
Parametros elétricos do Forno
Variável Descrição Valor Unidade
Rt Resistencia elétrica à temperatura ambiente 2,19 Ω
ø Diametro do fio 2,2 mm
I Corrente elétrica 22,84 Amper
V Tensão elétrica 50,01 Volts
P Potencia elétrica 5,55 kW
Ilustração carcaça, chaparia, revestimento e 
câmara quente.
Ilustração carcaça, chaparia, revestimento e 
câmara quente.
Ilustração carcaça, chaparia, revestimento e 
câmara quente.
Ilustração carcaça, chaparia, revestimento e 
câmara quente.
Cadinhos de fundição
“recipientes”
Cadinhos de fundição
Acessórios/ Pinças/ Suportes 
Cadinhos de fundição
Distribuição na câmara / Espaço útil
10
8 
x 
8 
= 
86
4 
m
m
(108 x 3) + (2 x 150) = 624 mm
GA 003 - 1,1 kg / cadinho
Vista em planta da câmara
Cálculos energético
Balanço de energia
Cálculos energético
Balanço de energia
Fonte: INCROPERA, Frank P.; DEWITT, David P.. Fundamentos de transferência de calor e de massa. 
5. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2003;
Cálculos energético
Balanço de energia
Cálculos energético
Balanço de energia
Cálculos energético
Definição coeficiente de Convecção ( h )
Cálculos energético
Definição coeficiente de Convecção ( h )
h= ( 58,4 x 0,026 W/m.k )/ 0,28 m = 5,422 W/m².K 
Cálculos energético
Condução
Cálculos energético
Condução
Q = ∆T 
Rt
Rt = L 1 + L2 + L3
K1.A1 K2.A2 K3.A3
K1 = Coeficiente de condutividade térmica carbeto de silício 
K2 = Coeficiente de condutividade manta de fibra cerâmica
K3 = Coeficiente de condutividade térmica microporoso®
Cálculos energético
Condução ( K 1 ) – Primeira parede
Cálculos energético
Condução ( K 2 ) – Segunda parede
Cálculos energético
Condução
Cálculos energético
Diagrama – Perfil térmico
Cálculos energético
Variações / Regime transiente
Cálculos energético
Variações / Regime transiente
Cálculos energético
Cálculo teórico / Transferencia de Calor
Cálculos energético
Cálculo teórico / Transferência de Calor
Dados térmicos que serão utilizados para o cálculo teórico:
a) Coeficiente de convecção natural ; h= 5,42 W/m². K **( cálculo anterior )
b) Temperatura de carcaça ( Chaparia ); 75 °C ( 348,15 K )
c) Temperatura do vento , ambiente ; 32 °C ( 305,15 K )
d) Temperatura da vizinhança; 35 °C ( 308,15 K )
e) Emissividade da carcaça; ( Aço carbono doce – ASTM-A36 ); 0.85
f) Área de transferência de calor ; ( c x h = 0,86 m x 0,28 m ); 0,24 m²
g) Coeficiente de condutibilidade térmica face refratário ,Face quente; 15,7 W/m.K
( Carbeto de silício ficha técnica Fab: Saint- Gobain )
h) Coeficiente de condutibilidade térmica face isolante; 0,125 W/m.K
(Manta de fibra cerâmica; Fab: Unifrax densidade aprox. 160 kg/ m³ )
i) Coeficiente de condutibilidade térmica Microporoso, Face fria; 0,031 W/m.K
( Referencia importador ficha técnica Athenas )
j) Constante de boltzman; 5,67 x 10-8 W/m².k^4
k)Temperatura de operação , câmara de aquecimento; 985°C ( 1258,15 K )
Cálculos energético
Cálculo teórico / Transferência de Calor
Dados construtivos / Mecânica que serão utilizados para o cálculo teórico:
a) Espessura 1° revestimento ( Projeto / comercial ) ; 2” inch ( 50,8 mm )
b) Espessura 2° revestimento ( Projeto / comercial ) ; 8” inch ( 203,2 mm )
c) Espessura 3° revestimento ( Projeto / comercial ) ; 5 mm
d) Espessura total de revestimento; aprox. 10 inch / 259 mm ( excluso chaparia)
e) Chaparia/ caldeiraria / estrutura :1/8” inch / 3,17 mm 
Cálculos energético
Cálculo teórico / Transferência de Calor
Cálculo convecção;
Q= h.A.(∆T) 
Q= 5,42w/m2.k x (0,28 x 0,86 ) m² x ( 75°C -32 °C ) = 56,12 W
// Perda térmica apenas por convecção \\
// Condições de chaparia e ambientais \\
Cálculos energético
Cálculo teórico / Transferência de Calor
Cálculo radiação;
Q= A.σ. ԑ.(∆T) 
Q= (0,28 x 0,86 ) m² x 5,67 x 10 -8 W/m².k^4 x 0,85 x ( 348,15^4 – 308,15^4 )K 
Q= 65,87 W
// Perda térmica apenas por radiação \\
// Condições de chaparia e vizinhança \\
Cálculos energético
Cálculo teórico / Transferência de Calor
Perda Total ;
Q ( cond ) = 56,12 W + 65,87 W = 121,99 W 
Cálculos energético
Cálculo teórico / Transferência de Calor
Q = ∆T 
Rt
Rt = L 1 + L2 + L3
K1.A1 K2.A2 K3.A3
Condução; 
121,99 W = ( 985 °C – 75 °C ) = 910 °C 122,41 W
0,0508 m + 0,2032 m + 0,005 m 1,79 m².K/ W 
15,7 W/m.K 0,125 W/m.k 0,031 W/m.k ( 0,28 x 0,86 ) m²
Cálculos energético
Cálculo teórico / Transferência de Calor
Chegamos na igualdade !!
Cálculos energético
Cálculo teórico / Transferência de Calor
Conferindo os cálculos teóricos 
utilizando softwares de cálculos 
térmicos.
Ferramentas / Práticas de mercado !! 
Cálculos energético
Simulações software 
de perfil Térmico
Familiarizando com as Ferramentas de cálculo e 
materiais.
Quantitativo de Materiais
Montagem Mecânica
10
8 
x 
8 
= 
86
4 
m
m
(108 x 3) + (2 x 150) = 624 mm
GA 003 - 1,1 kg / cadinho
Montagem mecânica
Projeto do Revestimento
624 mm 259 mm259 mm
28
0 
m
m
33% de compressão 
Bandejas pré- Moldadas
SIC – Carbeto de silício
Montagem mecânica
Roteiro de preparação dos Materiais
1ª Etapa – Bandejas fornecidas conforme desenho
2ª Etapa -Manta densidade 128 kg/m³ // requerido 192 kg/m³ // altura de 280 mm 
128/ 192 = 66% // Necessário uma compressão de 33 % para atingir a densidade
3ª Etapa – Corte com instrumento cortante e selagem das bordas com fita adesiva convencional
Montagem mecânica
Peso dos Materiais com carcaça
Câmara 624 ( L ) x 864 ( C ) x 280 ( h ) mm
Carbeto de silício : 5 peças // 2 x ( 280 x 864 ); LE + LD ; 
( 2,62 gr/cm³ ) 1 x ( 280 x624 ); FUNDO ; 
2 x ( 624 x 864 ); SOL + TETO;
50,8 mm x 280 mm x 864 mm x 2 peças = 0,0508 x 0,280 x 0,864 x 2620 kg/m³ = 32,20 kg/ peça
50,8 mm x 280 x 624 mm x 1 peça = 0,0508 x 0,280 x 0,624 x 2620 kg/m³ = 23,25 kg/ peça
50,8 mm x 624 x 864 mm x 2 peças = 0,0508 x 0,624 x 0,864 x 2620 kg/m³ = 71,75 kg/ peça
Peso total c/ carbeto = 231 kg
Montagem mecânica
Peso dos Materiais Isolantes
Parede; 250 ( esp ) x ( 864 + 250 ) ( C ) x 280 ( h ) mm
Manta de fibra cerâmica: 17 peças // 250 x 1114 x 25,4 ( LE + LD ) ; 
( 192 kg /m³ ) 17 peças // 624 x 250 x 25,4 ( FUNDO )
Microporoso 1114 x 0,28 x 0,005 x 270 
( 270 kg/m³ ) 
0,0254 x 1,114 x 0,250 x 17 peças x 2 lados = 23 kg cada / lateral
0,624 mm x 0,250 x 0,0254 mm x 1 lado = 12,9 kg fundo
Mcroporoso 2 lados = 840 gramas aprox. 1 kg
Peso total manta de fibra compressão de 33% + Microporoso = 60 kg
Montagem mecânica
Peso dos Materiais Carcaça de Aço ( esp:1/8” )
Parede; 1142 ( largura ) x ( 1114 ) ( C ) x 840 ( h ) mm
Aço ASTM A-36 : 0,84 X 1,114 X 0,003175 X 7620 = 22,63 kg / lateral ( esq/dir )
( 7620 kg /m³ ) 1,142 x 1,114 x 0,003175 x 7620 = 30 kg/ face ( fundo/lateral )
1,142 x 0,84 x 0,003175 x 7620 = 23,20 kg/face ( frente/ fundo )
Tubos perfis e nervuras = 37 kg
Peso total chapa= 75,83 kg
Peso total Metálico = 112 kg
Montagem mecânica
Peso dos Materiais Soleira + porta
Parede; 1142 ( largura ) x ( 1114 ) ( C ) x 250 ( h ) mm
Refratário Sílicoso tijolos : 1,142 x 1,114 x 0,25 x 900 = 286 kg soleira
( 0,9 kg /m³ ) 0,62 x 0,28 x 0,2 x 900 = 31 kg porta pivotada
Peso total soleira + porta = 317 kg
Montagem mecânica
Peso Total do Forno ( excluso periféricos )
Carbeto - 231 kg
Isolantes – 60 kg
Metálicos – 112 kg
Soleira + porta – 317 kg
Total – 720 kg
// Massa de calor armazenado – “bateria” \\
Montagem mecânica
Argamassa refratária
Tipos de argamassa ? Trabalhabilidade ? Consumo ?
características ? Porcentagem de água ? Ferramentas ?
Composição ? Pega ? Juntas ?
Assentamento ? Especificação ? 
Montagem mecânica
Tijolos
Secagem / Sinterização
Por que ?
Pra quê ?
Como ?
Consequências ? 
Secagem / Sinterização
Secagem / Sinterização
Secagem / Sinterização
Aquecimento / Encharque
 Aspectos de operação
 Homogeneidade
 Controle / processo
 Vida útil
 Bateladas / Contínuo
 Troca de calor ( rad , conv e cond ) 
 Atmosfera
 Limpeza contaminantes
Cálculo de consumo Mensal
Mensuração / Quantificação
Cálculo de consumo Mensal
Mensuração / Quantificação
Cálculo de consumo Mensal
Mensuração / Quantificação
Q= 379,4 W/m² x ( 0,28 x 0,86 ) m²= 91,4 W ( Programa de perfil )
121,99 W = ( 985 °C – 75 °C ) = 910 °C = 122,41 W
0,0508 m + 0,2032 m + 0,005 m 1,79 m².K/ W 
15,7 W/m.K 0,125 W/m.k 0,031 W/m.k ( 0,28 x 0,86 ) m²
Q= (231 kg x ( 920 j/kg.°C ) x ( 800 -795 ) °C)= 1.062.600 Joules
1.062.600 Joules 
600 seg ( 10 minutos ) 
1763,33 W 
Cálculo de consumo Mensal
Mensuração / Quantificação
Q conv = 5,42W/m².Kg x ( 0,28 x 0,86 ) x ( 800 - 750 ) °C = 65,25 W
Q rad = ( 0,02 x 0,1 ) x 0,85 x 5,67x10^-8 ( 1073,15^4 – 308,15^4 ) °C = 126,97 W
Carca metálica ( Energia útil ) 2500 W 45,45%
perda pelas paredes 122,41 W 2,23%
Perda por abertura do forno ∆T = 50°C - Convecção 65,2568 W 1,19%
Calor armazenado 1763,333333 W 32,06%
Perda por abertura do forno ∆T = 50°Cradiação 126,9729204 W 2,309%
Tiragem - ( " chaminé" ) 825 W 15,00%
Total 5500 W 98%
Cálculo de consumo Mensal
Mensuração / Quantificação
Início Intervalo Fim do turno Carga horária diária
07:00:00 01:12:00 17:00:00 08:48:00
** 198 h/mês x 5,5 kW x 0,616 R$/kWh = R$ 670,82 / mês ( operação regular, forno já encharcado )
Parcela
do custo ( R$ )
Carca metálica ( Energia útil ) 2500 W 45,45% 304,92R$ 
perda pelas paredes 122,41 W 2,23% 14,93R$ 
Perda por abertura do forno ∆T = 50°C - Convecção 65,2568 W 1,19% 7,96R$ 
Calor armazenado 1763,333333 W 32,06% 215,07R$ 
Perda por abertura do forno ∆T = 50°Cradiação 126,9729204 W 2,309% 15,49R$ 
Tiragem - ( " chaminé" ) 825 W 15,00% 100,62R$ 
Total 5500 W 98%
Análise do balanço energético
Cálculo de consumo Mensal
Mensuração / Quantificação
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
Carca metálica
 ( Energia útil )
perdas pelas
paredes
Perda por abertura do forno 
∆T = 50°C - Convecção
Calor armazenado Perda por abertura do forno 
∆T = 50°Cradiação
Tiragem -
 ( " chaminé" )
Balanço Energético Forno de Fusão Copelação 
Balanço Energético ( W ) Perdas ( R$ )
Mercado
Custos de Fabricação / Quantificação
Quanto custa ?
Qual Mercado ?
Como e onde analisar o mercado ?
Lucrativo ?
Mercado
Custos de Fabricação / Quantificação
Observação
Manta de Fibra cerâmica
Densidade 96 kg/ m³ 
R$ 48,35/m² 9,12 m² 440,95R$ 
Frete + 
Impostos 
Inclusos
Carbeto de silício
Espessura 2 "
Bandejas conf desenho
5 Peças 
+ 
Retalho
3.925,72R$ 
Frete + 
Impostos 
Inclusos
Microporoso
 2 peças 500 x 600 mm
Espessura 5 mm
0,6m² 643,13R$ 
Frete + 
Impostos 
Inclusos
Caldeiraria + Montagem
Material + Serviço
R$ 14,90/ kg 317 kg 4.723,30R$ 
Frete + 
Impostos 
Inclusos
Fio Khantal A1 + enrolamento rolo 198,67 198,67R$ 
Frete + 
Impostos 
Inclusos
Total 9.931,77R$ 
Custo
carga horária
Estimada
Um Pedreiro refratárista 22,5 13 horas 292,5
Um Ajudante 9,4 13 horas 122,2
Um Montador ** 17,3 13 horas 224,9
Total 639,6
10.571,37R$ Total geral
Cotação Comercial
** Incluído no escopo ligação elétrica e montagem 
Serviços
Mercado
Preparação / Abordagem / Proposta comercial / Manual 
a) Especificação;
b) Escopo;
c) Referencias;
d) Detalhamento; Proj e Materiais;
e) Garantias
Proposta Técnica Proposta Comercial Manual de operação
a) Itemização; pontos específicos
b) Descrição detalhada;
c) Forma de pagamento;
d) Prazo de entrega;
e) Incoterm`s; 
f) Impostos;
a) Cartas de controle;
b) Manutenção;
c) Ficha de identificação;
d) Dados de operação; 
e) Eventuais falhas de operação;
f) Recomendações de preventiva
Mercado
Margens / Nichos 
Lingotes Moldes
“Caixas de recebimento”
Peças acabadas
Limalha de alumínio
Custo de aquisição / sucata R$ 4,30/kg ** ** Ref: Regiao metropolitana Bh
** Volume
Lingotes R$ 10,53/kg *** Muito influenciado pelo dolar ( U$ )
*** Mercado Internacional
Custo da materia Prima 40,84% ( CMV ) Custo mercadoria vendida 
Contabilidade
**Análise Mercadológica
Copelação
Mercado
Forno Novo
Fornecimento em 12/ 06 /18
Forno para reforma
Mineração de ouro
Mineral após copelação
( Amostra retirada do câmara ) 
Fechamento / Resumão
Forno Fusão e Copelação
Onde se aplica ?
Detalhamento ?
O que se faz ?
Mercados ?
Materiais ?
Função ?
Obrigado !