Forno Cubilô - parte 3

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PÉ DE COQUE
Pé de Coque
Quantidade de coque que deve ser mantida ao nível da 
zona de fusão.
Aumentando: dificulta fusão da carga metálica;
Diminuindo: excessivo consumo de coque. Metal funde 
num nível mais baixo.
Principais:
Tamanho, carbono fixo, teor de cinzas, resistência, porosidade, 
umidade e voláteis.
Tamanho:
1. Maior: aumenta o rendimento (diminui queima de CO);
2. Aumenta temperatura do forno;
3. Aumenta carburação.
Rendimento térmico do coque é proporcional a sua resistência 
(maior resistência = menos quebra = menos partículas finas nos 
gases)
Teor de cinzas:
1. Maior: baixa temperatura do forno;
2. Quanto menor a partícula do coque e maior o teor de cinzas, menor 
será a temperatura do metal líquido;
3. Menor carburação.
CARACTERÍSTICAS DO COQUE
COMPOSIÇÃO QUIMICA
• CARBURAÇÃO: coque é a forma mais barata de se obter carbono;
• Queima de silício;
• Queima do manganês;
• Absorção do enxofre do coque;
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.
INJEÇÃO DE AR
• O ar é injetado no cubilô com a finalidade de fornecer 
o oxigênio necessário à combustão do coque;
• O volume de ar depende essencialmente do coque de 
fusão (características e quantidade);
• Pode ser controlado através de medidores de vazão 
instalados na tubulação de ar do forno.
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
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 NA 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.
Variação da temperatura em função da 
quantidade de ar injetada
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:
1 - Maior carburação;
2 - Maior percentual de silício;
3 - Menor percentual de enxofre.
Diagrama Reticular para Forno Cubilô
Controle da Fusão
• 1 – Acender o Cubilô:
– Operação 1: acender o coque;
– Operação 2: fechar a porta de acendimento;
– Operação 3: iniciar o carregamento;
– Operação 4: pré-aquecer o cadinho;
– Operação 5: ligar o ar.
SECAGEM E AQUECIMENTO DO FORNO
• A secagem deve ser lenta (evita trincas no revestimento 
refratário ou na soleira). 
• Usual fazer-se a secagem por meio da queima de 
madeira ou maçarico. 
• 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 de ar do próprio ventilador.
Controle da Fusão
Controle da Fusão
• Aquecimento do forno leva 4 a 6 horas (tempo insuficiente 
de aquecimento -> baixa temperatura do ferro fundido -> 
pode solidificar na bica de sangria e impedir o 
prosseguimento da fusão.
Estabilização do Pé de Coque
• Para verificação da altura do pé de coque emprega-se uma 
barra de aço (marcado) ou então uma corrente com um 
peso na extremidade. 
• Alto: ligar o ventilador para queimar excesso de coque;
• Baixo: carregar coque até altura correta (ligar ventilador 
para acender coque carregado).
Carregamento
• Adicionar sobre a cama de coque uma camada 
de calcáreo (usado para escorificar as cinzas do 
pé de coque);
• Seqüência de carregamento: 1- calcáreo; 2-
coque; 3- materiais metálicos
(É importante repetir sempre a mesma seqüência.)
• Materiais metálicos devem ser carregados na 
ordem decrescente do seu ponto de fusão, ou 
seja, sucata de aço, retorno, gusa e ferro-ligas.
Início de Fusão
• Depois de completamente carregado, liga-se 
o ventilador dando início ao sopro;
• Deve-se deixar os furos de sangria e de 
escória abertos para melhorar o 
aquecimento (secagem) do refratário nesta 
região, facilitando a primeira sangria.
(operação de fechamento só é feita quando o 
metal líquido ou escória começa a sair pelo 
furo de sangria).
SANGRIA E RETIRADA DA ESCÓRIA
• Em condições normais de operação: ferro líquido pode ser 
retirado 10 a 15 minutos após o início do gotejamento.
• Faixa de temperaturas de operação (sangria): 1450 – 1530°C.
• Durante toda a operação deve-se constantemente controlar o 
estado das ventaneiras, a quantidade de ar, bem como a 
seqüência de carregamento, afim de que estas variáveis não 
venham a afetar a marcha do forno e consequentemente a 
qualidade do ferro fundido.
A Escória
Os resíduos de materiais não metálicos produzidos no forno cubilô 
podem se originar:
1. Das cinzas do coque;
2. Da areia aderida a carga;
3. Dos produtos de oxidação;
4. Do revestimento refratário desgastado durante a fusão
COMPOSIÇÃO DAS CINZAS DO COQUE
CaO MgO SiO2 Al2O3 Fe2O3 SO3 P2O5 Álcalis
Faixa 1 - 5% 1 - 2,8% 39 - 44% 27 - 39% 8 - 14% 0,5 - 5,5% 0,3 - 1,0% 3 - 5%
Média aprox. * * * * 11% 3% 0,70% 4%
TOTAL 18,70%
A escória com essa composição tem um ponto de fusão aproximado de 1700°C.
• Uma carga metálica muito suja é uma fonte de escória 
considerável.
Produtos de Oxidação
• Óxido de ferro (FeO): depende das condições oxidantes e 
redutoras dentro do forno. Excesso de ar soprado, baixa 
quantidade de coque, má qualidade do coque são fatores 
que tendem a produzir maior quantidade de FeO. É 
aconselhável não ultrapassar os 2%;
• Óxido de manganês (MnO): oxidação do Mn contido no 
ferro;
• Óxido de silício (SiO2): proveniente das cinzas do coque, 
do refratário e da oxidação do Si contido no ferro
Areia Aderida a Carga
Revestimento Refratário
• O refratário que se desgasta durante a fusão é outra fonte 
importante de escória.Características e Influências da Escória
• Uma escória pode ser ácida, básica ou neutra (dependendo da 
sua proporção constitucional).
Escória
COMPOSIÇÃO QUIMICA DAS ESCÓRIAS DO CUBILÔ Grau de
do Cubilô
SiO2 Al2O3 CaO FeO MnO MgO P2O5 S F2 Basicidade
ácido 45 - 50 5 - 18 20 - 40 2 - 10 1 - 5 0,5 - 2,0 0,05 - 0,25 0,1 - 0,5 * 0,3 - 1,0
básico
27 - 35 4 - 7 40 - 54 0,5 - 1,5 0,3 - 2,5 4 - 7 * 1,0 - 1,4 1,5 1,4 - 2,3
26 - 35 7 - 9 32 - 35 2,2 - 2,9 0,6 - 1,7 17 - 28 * * * 1,5 - 2,3
Grau de Basicidade
• As escórias são consideradas como ácidas 
ou básicas, de acordo com a relação:
Grau de Basicidade = CaO + MgO
SiO2
Onde serão ácidas se a relação for menor 
que 1 e básica se for maior que 1.
Grau de Basicidade
• As escórias básicas tem propriedades 
desfosforante, dessulfurante e solvente das 
cinzas do coque superiores as escórias ácidas;
• Ponto de fusão da escória: + 1700°C (mais alto 
que a temperatura de operação do forno: 1450 a 
1530°C);
• Necessita da adição de um FUNDENTE: tem por 
finalidade abaixar o ponto de fusão (+ 1450°C) 
da escória melhorando sua fluidez.
Avaliação da Escória
• Pode-se melhorar a ação dos fundentes para se obter 
escória mais fluida fazendo-se adição de compostos 
ativadores (compostos fluorados e alcalinos).
• Escória não ativada: é 
pegajosa e adere ao coque 
(coque não queima 
completamente)-> produz 
ferro mais frio, maior 
consumo de coque e metal 
oxidado.
• Escória ativada: é mais fluida 
e não adere ao coque (coque 
queima completamente) -> 
composição mais uniforme, 
menor consumo de coque, 
melhor carburação do ferro e 
redução no teor de enxofre.
Inspeção da Marcha de Fusão
• Numa fusão correta, o ferro líquido deve cair em frente às 
ventaneiras em gotas perfeitamente separadas umas das 
outras;
• A tonalidade das gotas de ferro devem ser mais claras que 
a do coque incandescente ao seu redor;
• Se as gotículas de ferro são mais escuras que o contorno 
do coque, indica que a quantidade de coque é insuficiente;
• Quando ao gotas de ferro são alongadas com filamentos 
claros e escuros alternadamente, significa que a cama de 
coque está sendo consumida rapidamente (excesso de ar 
de sopro);
• Filamentos totalmente escuros (mais que o coque) indicam 
uma fusão fria ou oxidada por excesso de ar ou falta de 
coque.
VANTAGENS DO CUBILÔ
• Alta produtividade;
• Menores custos de energia e sucata:
– Coque é mais barato que eletricidade;
– Sucata pode estar suja, enferrujada ou 
gavanizada;
• Ferro obtido possui altas propriedades 
metalúrgicas:
– Auto carburação;
– Auto inoculação.
DESVANTAGENS DO CUBILÔ
• Linhas de moldagem devem ser 
compatíveis com a campanha do forno;
• Reações físico-químicas complexas;
• Necessita pessoal qualificado para operar;
• Trabalha com apenas um tipo de liga;
• Grande número de variáveis na operação 
do forno;
• Gera grandes quantidades de escória.
CUBILÔ DE AR QUENTE
• O aquecimento do ar (acima de 500°C) é 
a técnica mais eficiente para melhorar o 
desempenho do cubilô. Vantagens:
– Redução da porcentagem do coque;
– Aumento da temperatura do coque;
– Aumento do teor de carbono no ferro fundido;
– Pode-se aumentar a porcentagem de aço nas 
cargas.
Principais Efeitos do Ar quente
• Melhora rendimento térmico do cubilô em 
aproximadamente 10%;
• As temperaturas mais altas favorecem uma 
atmosfera menos oxidante que reduz as perdas por 
fusão e faz aumentar a carburação (carbono do 
coque);
• Permite a obtenção de ligas com baixo teor de 
enxofre e alto teor de carbono.
Principal Desvantagem
• Necessita de instalações mais caras, tanto na 
montagem quanto na manutenção.
TRATAMENTO DOS GASES DO CUBILÔ
À SECO:
• Separação de partículas grosseiras antes da câmara de 
combustão:
- Ciclone com refratário;
- Partículas de coque, calcáreo, zinco -> reinjeção nas 
ventaneiras -> para enriquecer carga em zinco.
• Queima do gás (900 a 1000°C);
• Trocador de calor:
- Pré-aquecimento do ar de combustão;
- Limpeza do trocador feita com esferas metálicas (3 a 4 mm).
• Resfriador do ar:
- Diluição com ar -> maior volume a ser filtrado;
- Tubos com água (75 a 95°C); 
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 + 210°C.
• Termo-óleo:
- Menos corrosão que tubulação com água;
- Óleo a 100 – 200°C.
• Filtragem do gás:
- 150 a 160°C;
- 0,5 a 0,8 m³/m².min;
- Eliminação de Zn, Cl, S (devido maior área do 
filtro).
Problemas Durante Operação do Forno
• Principais perturbações que podem ocorrer durante a 
operação do forno cubilô:
– Engaiolamento;
– Sopro Frio;
– Solidificação do Ferro Fundido no Furo de Sangria;
– Vazamento de Ferro Fundido pela Soleira;
– Coroa de escória.
Engaiolamento
• Aprisionamento da carga na cuba, impossibilitanto a sua 
descida. Causado pelo carregamento de carga metálica 
muito grande em relação ao diâmetro interno do forno;
• Pode causar queima excessiva da cama de coque e 
surgimento de carga sólida próximo as ventaneiras -> 
baixa temperatura do ferro na bica de sangria e perdas 
por oxidação (Mn, Si);
• Possíveis soluções: 
– abrir e fechar rapidamente a válvula de regulagem do 
ar (repetidas vezes);
– Desligar o ar, abrir as vigias e forçar a descida da 
carga com uma barra de aço introduzida pela porta de 
carga.
Sopro Frio
• É caracterizado pelo aparecimento de carga 
sólida em frente às ventaneiras. Causado pelo 
excesso de ar de sopro ou quantidade 
insuficiente de coque de fusão;
• Causa abaixamento da temperatura do ferro e 
elevada oxidação;
• Possíveis soluções:
– Carregar coque intermediário;
– Reduzir a quantidade de ar;
– Aumentar a quantidade de coque de fusão mantendo 
a mesma quantidade de ar.
Solidificação do Ferro Fundido 
no Furo de Sangria
• Também chamado de “congelamento” ocorre 
devido a baixa temperatura do banho líquido. 
Geralmente é causado pelo pré-aquecimento 
inadequado do forno;
• Se o forno possui bica de sangria auxiliar, deve-
se abrir imediatamente e operar com a mesma 
até que ocorra a fusão do ferro na bica de 
sangria principal;
• Possível solução:
– Desobstruir o furo de sangria por meio de uma lança 
de oxigênio introduzida pelas ventaneiras.
Vazamento de Ferro Fundido pela Soleira
• Ferro vaza pela porta de descarga. Ocorre 
quando a soleira é mal preparada ou 
sacada muito rapidamente;
• Possível solução:
– Se o vazamento for pequeno pode ser 
fechado por meio de tampões de argila (deve-
se retirar todo ferro fundido do interior do 
forno antes desse procedimento). Colocar 
uma chapa de aço contra a massa de argila e 
comprimi-la por meio de uma escora;
Coroa de escória
• Solidificação da escória acima do plano das 
ventaneiras reduzindo o diâmetro do forno. É 
causado pela temperatura de fusão da escória 
muito alta ou pela baixa velocidade de ar nas 
ventaneiras;
• Possível solução:
– Adicionar pequena quantidade de fluorita que 
dissolve rapidamente o anel de escória;
– Alterar o formato das ventaneiras;
– Modificar a composição da escória/aumentar a 
quantidade de calcáreo.
CARGA BASE PARA CUBILÔ
Varia em função das exigências do produto final. O ferro base 
comum tem a seguinte composição:
• C = 3,5 a 3,7%
• Si = 1,0 a 1,5%
• Mn = 0,2 a 0,5%
• P = 0,1% máx.
• S = Mínimo possível
Carga para cubilô ácido:
• 40 a 50% de gusa;
• 30 a 40% de sucata de aço;
• 20 a 30% de retorno;
Carga para cubilô básico:
• 10 a 30% de gusa;
• 50 a 70% de sucata de aço;
• 20 a 30% de retorno;
CARGA BASE PARA CUBILÔ
Forno Cubilô GHW com capacidade de 25 T/h. Cubilô ácido com 
injeção de ar quente nas ventaneiras (+ 600°C) enriquecido com 
oxigênio.
• Retorno de ferro fundido cinzento: 50 a 70%;
• Sucata forjada (alto cromo) ou sucata comum solta: 30 a 50%;
• Calcáreo: 6%
• FeSi: correção;
• SiC: 2,5%;
• Coque: 14% (aprox. 300Kg).
OBS: Gusa não é mais utilizado devido ao alto custo.