aula 11 - Fornos e transferência de calor

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Universidade Tecnológica Federal do Paraná 
Fundição 
FORNOS PARA FUSÃO DE METAIS 
 
 Grande variedade de fornos 
 Requisito básico: elevar a temperatura do metal até a 
temperatura de vazamento, em um tempo razoável e com 
eficiência econômica. 
 Tipos de fornos: 
 Forno de cadinho 
 Forno de reverberação 
 Forno de indução 
 Forno de resistência elétrica 
 Forno a arco elétrico 1 
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FORNO DE CADINHO 
 
 Aquecimento pela combustão de gás, óleo combustível ou 
carvão 
 Cadinhos confeccionados de grafita e argila ou carbeto de 
silício e carbono 
 Utilizados para a fundição de ferro, aço, ligas de alumínio, 
magnésio e cobre 
 Temperaturas da ordem de 200 a 1.400 ºC 
 Capacidades entre 10 a 1000 Kg 
 Velocidades de fusão entre 10 a 100 Kg/h 
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Forno de cadinho a gás 
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forno de cadinho a carvão 
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5 Forno de cadinho basculante 
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FORNO DE REVERBERAÇÃO 
 
 Ação direta da chama sobre o metal 
 
 O carvão não está em contato com os metais , não aumenta 
teor de Carbono no Ferro 
 
 Amplamente aplicado na fundição de não-ferrosos. 
 
 Capacidades de 50 a 5.000 Kg 
 
 Temperatura de trabalho: 600 a 1650 ºC 
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FORNO DE REVERBERAÇÃO 
 
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FORNO DE INDUÇÃO 
 
 Princípio de funcionamento: indução de correntes parasitas 
(correntes de Foucault) 
 
 Profundidade de penetração de corrente (S) é função da 
frequência da corrente (S/√f = cte) 
 
 Equipamentos de baixa, média (2 a 10 kHz) e alta (450 kHz) 
freqüências 
 
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FORNO DE INDUÇÃO 
Baixa frequência: 
 Metal fundido se dispõem em um cadinho de forma anular, que 
constitui a espira secundária de um transformador. 
 Pela ação magnética da bobina primária, gera-se na bobina 
secundária uma correntes de alta intensidade, desenvolvendo o calor 
necessário para a fusão do metal. 
 
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FORNO DE INDUÇÃO 
Alta frequência: 
 
• Como no forno de baixa frequência, a corrente de alta frequência 
percorre o a bobina cilíndrica em cujo interior está o cadinho, de 
modo que o metal a ser fundido seja o núcleo percorrido pelo fluxo 
magnético induzido pela bobina. 
 
• Pela variação desse fluxo magnético, são geradas correntes que 
produzem o aquecimento e a fusão do metal. 
 
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FORNO DE INDUÇÃO 
Alta frequência: 
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FORNO DE RESISTÊNCIA ELÉTRICA 
 
 Aquecimento por efeito Joule 
 Transferência de calor por convecção e radiação. 
 Utilizados para a fundição de metais de baixo ponto de fusão, 
geralmente alumínio e ligas leves. 
 Desvantagem: 
• Consumo elevado de energia. 
• Levam tempo para alcançar a temperatura de fusão. 
• Exigem reparos ou trocas frequentes de resistência 
 
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FORNO A ARCO ELÉTRICO 
 
 Utiliza o calor gerado por um arco elétrico para a fusão do 
metal 
 Utilizado principalmente para a fusão de aços 
 Capacidade até 100.000 Kg 
 Velocidade de fusão até 40.000 Kg/h 
 Temperaturas de trabalho entre 1250 e 1750 ºC 
 
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FORNO A ARCO ELÉTRICO 
 
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FORNO A ARCO ELÉTRICO 
 
Funcionamento: 
 
 Os eletrodos são baixados até entrar em contato com a carga 
metálica. 
 
 Neste momento inicia o arco, começando o aquecimento e a 
fusão do metal. 
 
 A partir deste momento, os eletrodos sobem e descem até se 
formar um depósito de metal líquido debaixo de cada um. 
 
 
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FORNO A ARCO ELÉTRICO 
 
 Pelo fato de não estar em contato com combustíveis, nem 
gases resultantes da combustão, é obtido um metal de boa 
qualidade, podendo ser mantido o controle de composição 
química mais exato do que em qualquer outro tipo de forno. 
 
 
 
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FORNO A ARCO INDIRETO 
 
 Transmissão de calor por radiação e convecção 
 Capacidade: 100 a 2000 Kg 
 Velocidade: 1000 Kg/h 
 Temperatura: 1000 a 1750 ºC 
 Utilizado para a fusão de pequenas quantidades de ferro-ligas e 
ligas de cobre 
 
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TRANSFERÊNCIA DE CALOR NA SOLIDIFICAÇÃO 
 
Solidificação em fundição: 
 Transferência de calor do metal vazado para o molde/meio 
ambiente 
 Velocidade de extração depende dos gradientes térmicos e das 
condutividades térmicas do sistema 
 Velocidade de extração de calor influencia a taxa de nucleação, 
tamanho de grão, velocidade de solidificação e produtividade 
do processo. 
 
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MODOS DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR 
 
 Irradiação e convecção (transitórios) 
 Condução (permanente) 
 Vazamento: metal superaquecido 
(na prática: 110% tf) 
 Dissipada por convecção no início da 
 solidificação 
 
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Fluxos de calor e balanço térmico 
Sistema de coordenadas temperatura x distância 
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X = distância de um ponto qualquer à interface 
metal/molde 
S = espessura do metal solidificado em um instante 
qualquer 
v = velocidade de solidificação do metal 
Tf = temperatura de fusão do metal, uniforme em todo o 
líquido 
To = temperatura externa do molde, constante durante o 
processo 
Ts = temperatura em um ponto qualquer do metal sólido 
Tm = temperatura em um ponto qualquer do molde 
Tis = temperatura do metal junto à interface metal/molde 
Tim = temperatura do molde junto à interface 
metal/molde 
Ti = temperatura de equilíbrio da interface metal/molde 
 
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Hipóteses simplificadoras 
 
 A solidificação se inicia sem superaquecimento do metal 
 A interface sólido/líquido apresenta superfície 
macroscopicamente plana, ou com pequena curvatura 
 A temperatura externa do molde não apresenta variação de 
temperatura 
 O perfil térmico do metal sólido é descrito por uma reta 
 As propriedades físicas do metal e do molde independem da 
temperatura. Propriedades do metal consideradas em um 
ponto próximo à sua temperatura de fusão; do molde, à 
temperatura ambiente. 
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MOLDES REFRIGERADOS A ÁGUA 
 
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 Paredes ocas, com circulação de 
água sob pressão 
 
 Resistência térmica do molde 
considerada nula 
 
 Velocidade de circulação de 
água: 1000 a 2000 cm/s 
 
 Equipamento excessivamente 
caro 
 
 risco de explosão (água quente 
circulando a elevadas vel.) 
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MOLDES REFRIGERADOS A ÁGUA 
 
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 Extração de calor é favorecida se a superfície do molde apresentar melhores 
condições de contato com o metal (molde polido). 
 A velocidade de resfriamento é maior, bem como a velocidade de solidificação. 
 Estrutura mais refinada. 
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MOLDES DE AREIA OU REFRATÁRIOS 
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Maior aplicação 
Grandecapacidade de moldagem 
Grande liberdade de formas e geometrias 
Menor capacidade de extração de calor 
 
Mais utilizado: molde de areia 
Menor custo 
Utilização de aglomerantes 
Permeável a ar e gases 
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MOLDES DE AREIA OU REFRATÁRIOS 
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Maior resistência térmica: molde (resistências do metal sólido e da interface desprezíveis) 
Menor velocidade de solidificação. 
Maior crescimento de grãos. 
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MOLDES METÁLICOS OU COQUILHAS 
 
 Caso intermediário entre molde refrigerado a água e moldes 
refratários 
 Liberdade de formas limitada 
 Custo maior 
 Maior vida útil 
 
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MOLDES METÁLICOS OU COQUILHAS 
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 Maior velocidade de 
solidificação que moldes 
refratários. 
 Estrutura mais refinada 
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Efeito da geometria e espessura do molde no tempo de solidificação 
 
 Geometrias simples: determinada matematicamente 
 Geometrias complexas: empiricamente 
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LINGOTAMENTO CONTÍNUO 
 
 Lingotamento contínuo é o processo pelo qual o metal fundido é 
solidificado em um produto semi-acabado no formato de tarugo, bloco 
ou placa. O acabamento final do produto é feito na laminação. 
 Melhoramento e uniformização da qualidade metalúrgica do lingote 
 Transformação no estado sólido criaria tensões superficiais e 
trincamentos. 
 Por isso a Transferência de calor ocorre em 3 estágios 
 Refrigeração primária (molde refrigerado a água) 
 Refrigeração secundária (jatos de água na superfície do lingote) 
 Esfriamento livre (convecção e irradiação) 
 
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LINGOTAMENTO CONTÍNUO 
 
 Solidificação primária cria parede sólida para conferir resistência 
mecânica ao lingote 
 O objetivo é criar uma casca que suporte a pressão metalostática e as 
tensões no processamento sem aparecimento de trincas ou fratura. 
 O resfriamento secundário tem a função de promover a solidificação 
total do aço e resistir as tensões mecânicas 
 
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LINGOTAMENTO CONTÍNUO 
 
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