Fundição na Produção de Aço: Visão Geral do Processo e Equipamentos Essenciais

Definição e Conceito Básico

A fundição na indústria do aço refere-se ao processo primário de derramar aço fundido em moldes para produzir formas semi-acabadas ou acabadas. É uma etapa fundamental que transforma o aço líquido do forno em forma sólida, adequada para processamento subsequente, como laminação, forjamento ou usinagem.

Esse processo serve como a fase inicial de solidificação, permitindo a formação de várias geometrias, como lingotes, tarugos, chapas ou flores. A fundição estabelece a base para controlar a microestrutura do aço, a qualidade interna e a precisão dimensional.

Dentro da cadeia geral de fabricação de aço, a fundição segue as etapas de refino e ligações do aço, onde o aço fundido é retirado do forno e direcionado para o equipamento de fundição. Ela precede a laminação a quente ou outros processos de conformação, atuando como uma ponte entre a produção de metal líquido e as operações de deformação mecânica.

Projeto Técnico e Operação

Tecnologia Central

A tecnologia de fundição baseia-se nos princípios da termodinâmica e da mecânica dos fluidos para controlar o fluxo e a solidificação do aço fundido. O processo envolve derramar aço líquido a alta temperatura em um molde, onde ele esfria e solidifica sob condições controladas.

Os principais componentes tecnológicos incluem a bacia, o molde e os sistemas de resfriamento secundário. A bacia atua como um reservatório, regulando o fluxo do forno para o molde e fornecendo um buffer para garantir uma fundição constante. O molde, frequentemente resfriado a água, molda o aço e inicia a solidificação, enquanto as zonas de resfriamento secundário controlam ainda mais as taxas de resfriamento.

Os principais mecanismos de operação envolvem fundição contínua ou de lingotes, com o aço fundido fluindo através de panelas para as bacias e, em seguida, para os moldes. O fluxo é cuidadosamente controlado para evitar turbulência, que pode causar defeitos. O fluxo do processo envolve derramamento sincronizado, controle do nível do molde e monitoramento da solidificação.

Parâmetros do Processo

As variáveis críticas do processo incluem temperatura de derramamento, nível do molde, velocidade de fundição e taxa de resfriamento. As temperaturas típicas de derramamento variam de 1.450°C a 1.550°C, dependendo do grau do aço e do método de fundição.

A velocidade de fundição varia de 0,2 a 1,0 metros por minuto na fundição contínua, influenciando a microestrutura e a qualidade da superfície. A taxa de resfriamento é ajustada para otimizar a estrutura do grão e minimizar defeitos, geralmente entre 10°C/min a 50°C/min.

Os sistemas de controle empregam sensores em tempo real e automação para monitorar parâmetros como nível do molde, temperatura e taxa de fluxo. Laços de feedback ajustam as taxas de fluxo e resfriamento para manter a estabilidade do processo e a qualidade do produto.

Configuração do Equipamento

As instalações típicas de fundição incluem uma bacia, um molde resfriado a água e uma máquina de fundição contínua. A máquina de fundição pode ser horizontal ou vertical, sendo esta última mais comum em plantas modernas.

O comprimento do molde varia de 2 a 4 metros, com larguras adaptadas para produzir tarugos, flores ou chapas. O comprimento da máquina de fundição pode se estender até 50 metros, incorporando zonas de resfriamento secundário e equipamentos de endireitamento.

Evoluções de design introduziram configurações de moldes curvos, agitação eletromagnética e sistemas de resfriamento avançados para melhorar a qualidade e a produtividade. Sistemas auxiliares incluem resfriamento por spray no molde, freios eletromagnéticos e dispositivos de inspeção de superfície.

Química e Metalurgia do Processo

Reações Químicas

Durante a fundição, as principais reações químicas envolvem a solidificação do aço e a remoção de impurezas. À medida que o aço esfria, o carbono precipita como grafite ou cementita, dependendo da composição da liga.

Termodinamicamente, o diagrama de fase Fe-C governa a formação de microestruturas. A cinética da solidificação influencia a distribuição de elementos de liga e a formação de inclusões.

Subprodutos como a inclusão de escória ou inclusões podem se formar se impurezas ou fases não metálicas não forem controladas adequadamente. A aprisionamento de gás também pode ocorrer, levando à porosidade.

Transformações Metalúrgicas

A fundição induz transformações microestruturais, incluindo a formação de estruturas dendríticas e zonas de segregação. O resfriamento rápido na fundição contínua resulta em microestruturas mais finas, melhorando as propriedades mecânicas.

Transformações de fase, como de austenita para ferrita ou perlita, ocorrem durante o resfriamento subsequente, mas a solidificação inicial estabelece a base da microestrutura. O controle das taxas de resfriamento influencia o tamanho do grão, a distribuição de inclusões e a formação de defeitos.

Essas transformações impactam diretamente propriedades como resistência, ductilidade e tenacidade. O controle adequado garante uma microestrutura uniforme e minimiza defeitos como segregação ou porosidade.

Interações de Materiais

Interações entre aço fundido, escória, refratários e atmosfera são críticas. Reações escória-metal podem levar à desoxidação ou formação de inclusões, afetando a limpeza.

Materiais refratários que revestem o molde e a bacia estão sujeitos a altas tensões térmicas e químicas, levando ao desgaste ou degradação. A contaminação da erosão refratária pode introduzir elementos indesejados.

Gases atmosféricos, como oxigênio e nitrogênio, podem se dissolver no aço, causando defeitos como porosidade ou fragilização. Atmosferas protetoras ou fundição a vácuo são empregadas para mitigar esses efeitos.

Controlar essas interações envolve selecionar materiais refratários compatíveis, otimizar a química da escória e manter um ambiente controlado.

Fluxo do Processo e Integração

Materiais de Entrada

O principal insumo é o aço fundido, tipicamente produzido em fornos de arco elétrico ou fornos de oxigênio básico, com especificações incluindo composição química, temperatura e limpeza.

Insumos adicionais incluem elementos de liga, fundentes e inoculantes, que são adicionados para modificar propriedades ou facilitar a fundição. O manuseio envolve panelas, bacias e recipientes de transferência projetados para minimizar contaminação e perda de temperatura.

A qualidade do insumo influencia diretamente a estabilidade da fundição, a qualidade da superfície e a limpeza interna. Aço de alta qualidade resulta em menos defeitos e melhores propriedades do produto final.

Sequência do Processo

A sequência começa com a transferência do aço fundido do forno para a bacia através de panelas. O aço é então derramado no molde, onde começa a solidificar.

A fundição contínua envolve a retirada sincronizada do fio solidificado, com etapas de resfriamento secundário e endireitamento integradas ao longo da linha. O ciclo do processo inclui preenchimento do molde, solidificação, retirada do fio e corte.

Os tempos de ciclo dependem do tamanho do produto; por exemplo, um ciclo típico de fundição de chapa pode durar de 30 a 60 minutos, com velocidades de fundição de 0,3 a 0,8 m/min. As taxas de produção podem atingir várias centenas de toneladas por hora.

Pontos de Integração

A fundição conecta unidades de fabricação de aço a montante com operações de laminação a quente, forjamento ou usinagem a jusante. O fluxo de material envolve transferência da máquina de fundição para fornos de reaquecimento ou diretamente para linhas de processamento.

O fluxo de informações inclui parâmetros do processo, dados de qualidade e sinais de controle para otimizar a operação. Sistemas de buffer, como armazenamento intermediário ou carregamento a quente, acomodam flutuações e garantem produção contínua.

A integração adequada minimiza atrasos, reduz o consumo de energia e mantém a qualidade do produto ao longo da cadeia de fabricação.

Desempenho Operacional e Controle