Forno Cubilô

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FORNO CUBILÔ 
 
O forno cubilô ou forno de cúpula é um equipamento de fusão empregado para a produção de 
ferros fundidos, por meio da refusão de materiais metálicos ferrosos e funciona baseado no princípio 
de contra corrente, ou seja, a carga metálica e o combustível possuem um fluxo contrário ao do 
comburente que é o oxigênio do ar. 
 
 
CONSIDERAÇÕES GERAIS 
 Nos fornos cubilô, as reações que promovem a formação de CO2 e CO (combustão) são 
responsáveis pelo fornecimento do calor necessário ao processo de fusão. 
CO2 -> produto da combustão completa do carbono 
CO -> produto da combustão incompleta do carbono 
 
Reações: 
 C + O2  CO2 (+8140 Kcal/kg C) 
 C + ½ O2  CO (+2450 Kcal/kg C) 
 CO2 + C  2 CO (-3240 Kcal/Kg C) 
 
Dessa forma, a formação do CO através de uma redução do CO2 deve ser evitada, pois implica 
na absorção de calor. 
 
No forno cubilô, a combustão se processa mais intensamente na região situada logo acima do 
cadinho, onde a oxidação do coque é efetuada pelo oxigênio do ar soprado. Nesta zona, que é chamada 
“zona de oxidação”, os gases são altamente oxidantes e nela ocorre a oxidação do silício e do 
manganês que é acompanhada por uma liberação adicional de calor, que superaquece o ferro fundido 
que goteja no cadinho. As reações de oxidação do silício e do manganês são as seguintes: 
 Si + O2  SiO2 (+208300 Kcal) 
 Mn + ½ O2  MnO (+96720 Kcal) 
 
 
 
DESCRIÇÃO DO FORNO CUBILÔ 
 
1 – CUBA: parte do forno compreendida no plano superior das ventaneiras até a porta de carga. 
2 – CADINHO: parte inferior do forno, desde a soleira até o plano médio das ventaneiras. É o 
elemento básico para o dimensionamento do forno cubilô e tem por finalidade servir de reservatório 
para o ferro fundido e para a escória. 
3 – ANEL DE VENTO: também chamado caixa de vento, podendo ter formato circular ou retangular, 
que envolve todo o forno. Serve para a distribuição do ar nas ventaneiras. 
4 - VENTANEIRAS: orifícios para a entrada de ar. São construídas de ferro fundido e parafusadas 
internamente contra a carcaça do forno. 
5 – VIGIAS: tem por finalidade facilitar a observação do andamento da fusão no interior do forno. 
6 – PORTA DE VISITA: geralmente encontra-se do lado oposto à bica de sangria do ferro fundido. 
Serve para facilitar a preparação da soleira e o acendimento do forno. 
7 – PORTA DE CARGA: serve para dar entrada aos materiais de carga. Suas dimensões dependem do 
tipo de carregamento. 
8 – PLATAFORMA DE CARGA: Serve para facilitar a entrada dos materiais de carga bem como 
facilitar as operações no caso de engaiolamento do forno. 
9 – CHAMINÉ: prolongamento da cuba com a finalidade de levar os gases para fora da fundição ou 
para estações de tratamento dos gases. 
10 – BICA DE SANGRIA DO FERRO: calha de aço ou ferro fundido revestida de argamassa pela 
qual o ferro líquido jorra para o exterior do forno. 
11 – BICA DE SANGRIA DA ESCÓRIA: destina-se a retirada da escória. Situa-se 10 a 15 cm abaixo 
do plano inferior das ventaneiras. As bicas de escória e de ferro fundido podem constituir-se num só 
elemento no caso de sangria contínua. 
12 – BICA AUXILIAR: Bica alternativa para uso no caso de reparos na bica principal, solidificação 
do ferro no furo de sangria, etc. Também pode ser usada juntamente com a bica principal para 
esvaziamento do forno. 
13 – TUBULAÇÃO DE ÁGUA: serve para refrigerar a carcaça do forno. 
14 – VENTILADOR: Gera o ar que é injetado pelas ventaneiras. 
15 – PORTA DE CARGA: serve para dar entrada aos materiais de carga. Suas dimensões dependem 
do tipo de carregamento. 
16 – ANTECADINHO: forno de espera (holding). 
17 – REFRIGERAÇÃO DO REFRATÁRIO. 
18 – CAPTAÇÃO DE POEIRAS: coleta os pós e envia para a estação de tratamento e descarte. 
19 – COLUNA DE SUSTENTAÇÃO: geralmente de ferro fundido ou perfis de aço soldados. Servem 
de sustentação do forno e construção da plataforma de trabalho. 
20 – VÁLVULA DE REGULAGEM DO AR: controlam a vazão de ar no interior do forno de acordo 
com a temperatura e a quantidade de metal fundido (T/h). 
21 – TUBULAÇÃO DE ÁGUA: serve para lavar os gases que saem do cubilô. 
22 – SAÍDA DE ÁGUA E POEIRA. 
23 – REFRATÁRIO: protege a carcaça do forno. 
24 – TIJOLO DE FERRO FUNDIDO: protege a carcaça do forno devido a agressão causada pela 
adição dos materiais de carga. 
25 – SOLEIRA: fundo do forno. Pode ser feito de areia de moldar ou massa refratária. 
26 – FUNDAÇÃO: estrutura preparada para suportar o peso do forno. 
 
REGIÃO A: zona do cadinho. Região compreendida entre a soleira e o plano inferior das ventaneiras. 
Serve para armazenar o ferro líquido que goteja através da cama de coque. 
 
REGIÃO B: zona de combustão ou zona de oxidação. Região acima da zona do cadinho. Nesta região 
ocorre a oxidação do coque através do oxigênio do ar soprado. Também ocorre oxidação do silício e 
do manganês. 
 
REGIÃO C: zona de redução ou fusão. Região situada acima da zona de combustão até o plano 
inferior dos tijolos de ferro fundido. Região onde se inicia e termina a fusão da carga metálica. 
 
REGIÃO D: zona de pré-aquecimento. Situa-se acima da zona de redução até a porta de carga. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 As temperaturas mais altas são obtidas na região de máximo teor de CO2. 
 Ao se afastar das ventaneiras diminui o teor de O2. CO2 reage com o carbono formando 2CO 
(aumenta %CO e diminui %CO2). Processo absorve energia diminuindo a temperatura do 
forno. 
 
 Pré-aquecimento: CO e CO2 não se alteram (temperatura mais baixa -> troca de calor com a 
carga). Ocorre evaporação da umidade, remoção de voláteis e calcinação do calcáreo: 
CaCO3 -> CaO + CO2 
 
 CADINHO: ocorre carburação do metal líquido (gases em equilíbrio com o carbono do coque -
> metal em contato direto com o carbono do coque incandescente -> processo de difusão). 
 
 Fusão da carga metálica se inicia na zona de redução. 
 
 
CARACTERÍSTICAS 
 Fácil secagem da carga (carga pode estar úmida); 
 Evaporação de óleos/graxas; 
 Dezincificação (evaporação do Zinco da sucata); 
 Eliminação do chumbo; 
 Necessita coleta e limpeza dos gases (pós de retorno, sucata, decomposição do calcáreo, 
presença de CO e SO2); 
 CO é reaproveitado como fonte de calor (pré-aquecimento do ar de sopro). 
 
 
VARIÁVEIS OPERACIONAIS 
 Produção horária depende da quantidade de ar soprado e do coque; 
 Quanto maior a quantidade de coque, menor a quantidade de carga metálica e, portanto, menor 
será a produtividade -> condicionado a composição do coque (carbono fixo, cinzas e voláteis) e 
quantidade de coque (faixa de 8 a 16%); 
 Maior vazão de ar (sopro): maior produtividade com menor quantidade de coque. Problema: 
não aumenta temperatura. Aumento da vazão de ar aumenta a velocidade de saída dos gases 
prejudicando as reações de combustão. Produz esfriamento do coque enquanto os gases saem 
com alta temperatura. 
 
COMPOSIÇÃO QUIMICA 
 CARBURAÇÃO: coque é a forma mais barata de se obter carbono; 
 Queima de silício; 
 Queima do manganês; 
 Absorção do enxofre do coque; 
 
 
Correção é feita no “holding” ou na panela de transferência. 
 
 
 
 
 
CARBURAÇÃO 
 
A carburação depende essencialmente da temperatura -> quanto maior a temperatura, maior a 
atividade do carbono (movimentação dos átomos) -> maior solubilidade de carbono resultando em 
maior carburação. 
Por outro lado, quanto maior o teor de cinzas no coque, menor será a carburação (cinza do 
coque é ácida -> contém SiO2. Pode ser neutralizado pelo calcáreo (CaO) que é básico -> processo 
conhecido como lavagem do coque. 
Altura cama de coque: determina a altura de carburação, ou seja, altura em que a gota de 
metal líquido entra em contato com o coque. Esta altura é função da produtividade ótima (só pode ser 
determinado através da experiência dia-a-dia): 
 Muito baixa: carga metálica sólida na zona de combustão (compromete o forno) -> 
engaiolamento,congelamento, etc.; 
 Muito alta: pouca carga metálica (baixa produtividade). 
 
 
QUEIMA DE SILÍCIO 
 
Fatores que aumentam a queima do Si: 
 Oxidação da escória -> depende da cama de coque; 
 Basicidade da escória (baixa); 
 Temperatura alta; 
 Pouca sucata; 
 Adições com baixo teor de silício; 
 Alto percentual de manganês. 
 
Si + O2 -> SiO2 (ácido) 
 
 + CaO = SiO2.CaO (básico) 
 
 
 
QUEIMA DO MANGANÊS 
Fatores que aumentam a queima do Mn: 
 Alta temperatura; 
 Basicidade da escória (alta); 
 Alto teor de Si. 
 
 
ABSORÇÃO DE ENXOFRE 
Desejável: baixo enxofre. 
Depende da temperatura do forno (cadinho), quantidade de coque, quantidade de sucata, teor de 
enxofre no coque. 
 Gás SO2 é absorvido pela sucata quando esta se encontra rubra (difusão); 
 Metal líquido goteja sobre as cinzas do coque. 
 
 
O refratário do cubilô geralmente é ácido ou neutro -> evitar escória muito básica -> 
ataca o refratário. 
 
Ar de sopro: 78% nitrogênio + 21% oxigênio + 1% outros gases. 
 Injeção de O2 diminui a quantidade de nitrogênio melhorando o rendimento do CO2 -> 
melhora o rendimento do forno. 
 
 
Figura 3 – Efeito de diferentes métodos de injeção de oxigênio sobre a temperatura do metal. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
EFEITO DA TEMPERATURA DO METAL 
 
Temperatura alta: 
 Melhor vazão de ar; 
 Alto teor de coque; 
 Tamanho do coque grande; 
 Tipo de coque; 
 Temperatura do ar alta; 
 Alto percentual de sucata; 
 Cadinho mais baixo (altura); 
 Injeção de oxigênio. 
 
O2 -> aumenta a temperatura da chama -> calor consumido é igual ao calor fornecido. 
C + O2 -> CO2 (o calor do CO2 é responsável pelo aquecimento de toda a carga metálica) 
Problema: Ar contém nitrogênio. 
C + O2 + 4N2 -> CO2 + 4N2 
 
 Parte do calor é usado no aquecimento do N2 
 
 Injeção de oxigênio diminui quantidade de N2 melhorando o rendimento do CO2. 
 
 
TRATAMENTO DOS GASES DO CUBILÔ 
 
À SECO: 
 Separação de partículas grosseiras antes da câmara de combustão: 
o Ciclone com refratário; 
o Partículas de coque, calcáreo, zinco -> reinjeção nas ventaneiras para enriquecer carga 
em zinco. 
 Queima do gás (900 a 1000°C); 
 Trocador de calor: 
o Pré-aquecimento do ar de combustão; 
o Limpeza do trocador é feita com esferas metálicas (3 a 4 mm). 
 Resfriador do ar: 
o Diluição com ar -> maior volume a ser filtrado; 
o Tubos com água (75 a 95°C); 
 Termo-óleo: 
o Menos corrosão que tubulação com água; 
o Óleo a 100 – 200°C. 
 Filtragem do gás: 
o 150 a 160°C; 
o 0,5 a 0,8 m³/m².min; 
o Eliminação de Zn, Cl, S (devido maior área do filtro). 
 
RESFRIAMENTO DOS GASES COM TERMO-ÓLEO 
 Gases do trocador de calor são resfriados por termo-óleo; 
 Emprega temperaturas de 150 – 180°C no óleo; 
 Gases entram com 800°C e saem com aproximadamente 210°C. 
 
INJEÇÃO DE OXIGÊNIO 
Objetivo: aumentar a produção horária 
 Método mais usado é injeção diretamente nas ventaneiras; 
 Aumento direto da temperatura; 
 Diminuição do consumo de coque; 
 Pré-aquecimento do ar de sopro; 
 Aumento da temperatura das reações (maior temperatura do ferro líquido); 
 Vantagens: 
o Maior carburação; 
o Maior percentual de silício; 
o Menor percentual de enxofre. 
 
 
Ar pode ser aquecido por: 
 Resistência (500 – 900°C); 
 Plasma (800 – 1200°C). 
 
CARACTERÍSTICAS DO COQUE 
Tamanho, carbono fixo, teor de cinzas, resistência, porosidade, umidade e voláteis. 
 
Tamanho: 
 Maior: aumenta o rendimento (diminui queima de CO); 
 Aumenta temperatura do forno; 
 Aumenta carburação. 
 
Rendimento térmico do coque é proporcional a sua resistência (maior resistência = menos 
quebra = menos partículas finas nos gases) 
 
Teor de cinzas: 
 Maior: baixa temperatura do forno; 
 Quanto menor a partícula do coque e maior o teor de cinzas, menor será a temperatura do metal 
líquido; 
 Menor carburação. 
 
TIPOS DE CUBILÔ 
 Com e sem refratário. 
 
Com refratário: 
 Diminui perdas térmicas nas paredes do forno; 
 Manutenção do refratário na zona de fusão: reparos semanais; 
 Necessita de pré-aquecimento do refratário no inicio da operação do forno; 
 Geometria do forno varia ao longo da jornada de trabalho; 
 A coluna do forno deve ser mais resistente. 
 
CUBILÔS DE LONGA CAMPANHA 
8 a 12 semanas de operação (Benchmark). 
Cubilô Shuttle (região de fusão móvel -> 2 partes) 
Sistema do forno Shuttle -> são duas partes iguais da região de fusão (uma reserva). Assim, 
enquanto o cubilô opera normalmente a outra parte é recuperada. A desvantagem é que a troca 
do cubilô leva de 4 a 6 horas aproximadamente. Troca também as ventaneiras, a carcaça e o anel 
de vento. 
 Reparo durante a semana; 
 Maior tempo para reparo e melhores condições de trabalho; 
 Troca: 4 a 6 horas; 
 É útil quando ocorre um congelamento do forno (metal solidifica dentro do forno). 
 
TIPOS DE FUSÃO 
 Frontal; 
 Traseiro; 
 Pressurizado. 
 
 
GRANULAÇÃO DA ESCÓRIA 
 Á úmido: 
o Menor investimento; 
o Necessita de tratamento da água (escória contém enxofre); 
o Geração de H2S. 
 
 À seco: 
o Transportador metálico; 
o Granulação é feita pelas tensões impostas pela solidificação rápida. 
o Processo vem sendo adotado nos novos projetos; 
o Escória granulada (é vítrea). 
 
RECIRCULAÇÃO DE PÓS 
Os pós são prensados e transformados em briquetes (pequenas barras). Ligantes utilizados para formar 
os briquetes: bentonita, melaço, etc. 
Pós ou briquetes podem ser reinjetados no forno. Injeção de finos de coque nas ventaneiras: 
o Injeta-se 20 a 30 Kg de coque por tonelada de metal; 
o Granulometria de 1 a 3 mm; 
o Diminui a queima do silício de 30 para 15 a 20%. 
 
CUBILÔ A GÁS 
Utiliza gás natural como combustível 
Opera com baixas temperaturas (1380 – 1450°C). 
Não tem carburação (carburação é feita no forno de espera). 
 
1. Vantagem: 
o Não introduz enxofre no ferro fundido (não necessita de dessulfuração); 
o Pode-se obter nodular diretamente do cubilô; 
o Fornos pequenos: 6 a 8 T/h; 
o Controle da escória -> faz-se adições de calcáreo e dolomita para obter baixo ponto de fusão 
( < 1200°C). 
 
2. Característica: 
o Vida útil: uma semana; 
o Temperatura do metal: 1380 a 1450°C; 
o Necessita rígido controle da composição da escória; 
o Baixo teor de enxofre. 
 
 
 
 
 
Ar 
Ar é uma mistura de gases. O Ar tem 78 % de azoto e 21 % de oxigênio. O dióxido de carbono e 
outros gases completam o restante 1 %. A análise de uma amostra de ar colhida ao nível do mar acusa, 
em média, a seguinte composição percentual, após eliminar-se a umidade: nitrogênio (N2) - 78,084%, 
oxigênio (O2) - 20,948%, argônio (Ar) - 0,934%, gás carbônico (CO2) - 0,031%, neônio (Ne) - 
0,001818%, hélio (He) - 0,000524%, metano (CH4) - 0,0002%, kriptônio (Kr) - 0,000114%, 
hidrogênio (H2) - 0,00005%, xenônio (Xe) - 0,0000087%. Também há traços de óxidos de nitrogênio 
(NO, NO2 e N2O), monóxido de carbono (CO), ozônio (O3), amônia (NH3), dióxido de enxofre (SO2) e 
sulfeto de hidrogênio (H2S). 
Azoto 
Azoto é um gás incolor e inodoro presente na atmosfera. O Azoto é um elemento natural e compõe 
78% do ar que se respira. 
Combustão 
Combustão é o processo de queima de uma fonte combustível como a madeira, carvão, óleo ou 
gasolina. A combustão ocorre, por exemplo, nos motores e produz energia. 
Combustível Fóssil 
Os combustíveis fósseis incluem os derivados do petróleo - gasolina, óleo diesel e óleos combustíveis 
– o gás natural e o carvão mineral. São chamados combustíveis fósseis porque são derivados dos 
remanescentes das plantas e animais antigos. Quando um combustível fóssil é queimado liberta 
energia e também provoca a emissão de gases poluentes. 
Dióxido de Carbono 
Dióxido de Carbono é um gás incolor e inodoro formado durante a respiração e na combustão. É um 
componente normal e importante da composição do Ar. Na expiração é expelido dióxido de carbonogerado pelo metabolismo. O ser humano não aproveita o dióxido de carbono, mas as plantas 
necessitam do dióxido de carbono para o seu crescimento. Os motores e os processos de combustão 
também geram dióxido de carbono. O dióxido de carbono é responsável pelo efeito estufa. 
 
Monóxido de Carbono 
Monóxido de Carbono é um gás incolor, inodoro e venenoso produzido pela combustão incompleta de 
madeira, carvão, óleo e gasolina. Carros e caminhões emitem Monóxido de Carbono. Respirar muito 
monóxido de carbono pode provocar a morte. 
 
SECAGEM E AQUECIMENTO DO FORNO 
 A secagem do forno cubilô deve ser efetuada lentamente a fim de possibilitar a evaporação da 
umidade, sem o que ocorrem trincas no revestimento refratário ou na soleira. Como a secagem ao ar 
leva muito tempo é usual fazer-se a secagem por meio da queima de madeira. Para tal, através da porta 
de trabalho, carrega-se pequena quantidade de madeira e deixa queimar lentamente. Nesta fase da 
secagem a combustão é ativada tão somente pela tiragem natural, já que as vigias devem permanecer 
abertas. Após um determinado tempo (uma hora), pode-se adicionar mais madeira numa altura 
superior ao plano das ventaneiras, e ativar a combustão por meio de ar comprimido ou usando-se uma 
derivação