Moldagem em Casca na Produção de Aço: Processo, Equipamento e Significado

Definição e Conceito Básico

A moldagem em concha é um processo de fundição de precisão utilizado principalmente na fabricação de componentes metálicos complexos, incluindo aqueles usados na indústria do aço para peças especializadas. Envolve a criação de uma concha de molde fina, dura e altamente detalhada a partir de uma mistura de resina termofixa, areia e outros aglutinantes, que é então utilizada para fundir metal fundido.

No contexto da produção de aço e processamento primário, a moldagem em concha é empregada para produzir fundições de aço intrincadas, como lâminas de turbina, corpos de válvula e outros componentes que requerem alta precisão dimensional e acabamento de superfície. Serve como uma alternativa aos métodos tradicionais de fundição em areia ou fundição por investimento, oferecendo vantagens em precisão, qualidade de superfície e eficiência de produção.

Dentro do fluxo geral do processo de fabricação de aço, a moldagem em concha é posicionada após as etapas de fusão e liga, onde o aço ou liga fundido é vertido nos moldes de concha preparados. É uma etapa chave na cadeia de processamento secundário, transformando metal líquido em componentes de aço acabados ou semi-acabados que atendem a especificações de engenharia específicas.

Projeto Técnico e Operação

Tecnologia de Núcleo

A tecnologia de moldagem em concha é baseada no princípio de criar uma concha de molde durável e resistente ao calor que possa suportar as altas temperaturas do aço fundido. O processo começa com a preparação de uma mistura de areia de sílica fina, aglutinantes de resina termofixa e outros aditivos. Essa mistura é aplicada em um padrão aquecido, tipicamente feito de metal, que é pré-aquecido para facilitar a cura da resina.

Os principais componentes tecnológicos incluem o padrão, o sistema de revestimento, o aparelho de aquecimento e o forno de cura da concha. O padrão é geralmente feito de metal e projetado para produzir a forma de fundição desejada. O sistema de revestimento aplica uma camada fina e uniforme da mistura de areia e resina na superfície do padrão. O padrão é então aquecido, fazendo com que a resina cure e una as partículas de areia, formando uma concha rígida.

O principal mecanismo de operação envolve ciclos repetidos de imersão, revestimento e aquecimento para aumentar a espessura da concha. Uma vez curada, a concha é removida do padrão, seca e assada em um forno para eliminar a umidade residual e fortalecê-la ainda mais. O aço fundido é então vertido no molde de concha, que atua como uma cavidade precisa para a fundição.

Parâmetros do Processo

As variáveis críticas do processo incluem espessura da concha, teor de resina, temperatura de revestimento, tempo de cura e temperatura de pré-aquecimento do molde. A espessura típica da concha varia de 2 a 6 milímetros, dependendo do tamanho e complexidade do componente. O teor de resina geralmente varia entre 2% e 8% em peso da mistura de areia, influenciando a resistência do molde e o acabamento da superfície.

A temperatura de revestimento é mantida em torno de 150°C a 200°C para garantir a cura adequada da resina sem causar defeitos. Os tempos de cura geralmente variam entre 30 segundos a 2 minutos, dependendo da espessura da concha e da capacidade do forno. O pré-aquecimento do padrão a aproximadamente 200°C garante a formação uniforme da concha e reduz tensões térmicas.

Sistemas de controle utilizam sensores de temperatura, analisadores de umidade e temporizadores automatizados para monitorar e regular os parâmetros do processo. Instalações modernas de moldagem em concha utilizam sistemas controlados por computador para ajuste preciso da espessura do revestimento, ciclos de cura e temperaturas do forno, garantindo qualidade consistente.

Configuração do Equipamento

Instalações típicas de moldagem em concha incluem um sistema de manuseio de padrões, estações de revestimento, fornos de aquecimento e cura, e unidades de remoção e secagem da concha. O padrão é montado em um braço rotativo ou reciprocante para facilitar o revestimento uniforme. As estações de revestimento consistem em sistemas de spray ou imersão com taxas de fluxo ajustáveis e bicos de spray.

O forno de cura é um forno tipo túnel ou em lote com zonas de temperatura controladas com precisão por termopares e controladores lógicos programáveis (PLCs). O processo de remoção da concha envolve desnudamento mecânico ou pneumático, seguido por câmaras de secagem para eliminar a umidade residual.

Com o tempo, o equipamento evoluiu de imersão e cura manuais para sistemas robóticos totalmente automatizados que melhoram a consistência e a produção. Sistemas auxiliares incluem unidades de extração de poeira, ventilação e gerenciamento de resíduos de areia e resina usados.

Química do Processo e Metalurgia

Reações Químicas

A reação química central na moldagem em concha envolve a cura da resina termofixa ao ser aquecida. Normalmente, resinas fenólicas ou furfurílicas são utilizadas, que se polimerizam quando expostas a temperaturas elevadas, formando uma rede rígida que une as partículas de areia.

Durante a cura, a resina passa por reações de polimerização, liberando pequenas quantidades de compostos voláteis, como formaldeído ou álcool furfurílico. Esses subprodutos são gerenciados por meio de sistemas de ventilação e filtragem para minimizar o impacto ambiental.

Na fase de vazamento do aço fundido, as principais reações químicas são metalúrgicas, envolvendo a oxidação de elementos de liga e a formação de escória. A concha do molde em si permanece quimicamente inerte durante a fundição, desde que seja devidamente assada e livre de voláteis residuais.

Transformações Metalúrgicas

A concha do molde atua como uma barreira térmica, influenciando a taxa de resfriamento do aço fundido. O resfriamento rápido pode levar a transformações microestruturais, como a formação de martensita, enquanto o resfriamento mais lento favorece estruturas de perlita ou bainita.

A microestrutura da fundição final depende da composição da liga, temperatura de vazamento e condições de resfriamento ditadas pelas propriedades térmicas da concha do molde. O controle adequado garante propriedades mecânicas desejáveis, como resistência, tenacidade e ductilidade.

A natureza refratária da concha impede a contaminação do aço fundido, mantendo a pureza metalúrgica. O alto acabamento de superfície alcançado reduz a necessidade de usinagem extensiva pós-fundição.

Interações de Materiais

As interações entre o aço fundido e a concha do molde são mínimas se a concha estiver devidamente assada e livre de orgânicos residuais. No entanto, se a decomposição da resina for incompleta, emissões voláteis podem causar porosidade ou defeitos de superfície.

Materiais refratários na concha, principalmente à base de sílica, podem reagir com certos elementos de liga, como cálcio ou magnésio, formando compostos indesejáveis. Para evitar isso, a composição da concha é cuidadosamente controlada.

Mecanismos de transferência de materiais incluem a infiltração de metal fundido em microfissuras ou regiões porosas da concha, o que pode causar defeitos de fundição. Um bom projeto da concha e controle do processo mitigam esses riscos.

Métodos como revestir a concha com camadas protetoras ou otimizar temperaturas de vazamento ajudam a controlar interações indesejadas e melhorar a qualidade da fundição.

Fluxo do Processo e Integração

Materiais de Entrada

Os principais materiais de entrada incluem areia de sílica de alta pureza, resinas fenólicas ou furfurílicas, endurecedores e aditivos como argila ou agentes de fluxo. A areia deve atender a especificações de tamanho de grão, forma e pureza química para garantir a integridade do molde.

A preparação envolve a mistura de areia com aglutinantes e aditivos em misturadores, seguida de triagem para remover partículas grandes. A mistura deve ser homogênea para produzir conchas consistentes.

A qualidade da entrada afeta diretamente a resistência do molde, o acabamento da superfície e a precisão dimensional. Contaminantes ou teor de resina inconsistente podem levar a defeitos como fissuras, porosidade ou formação incompleta da concha.

Sequência do Processo

O processo de moldagem em concha começa com a preparação e montagem do padrão. O padrão é revestido com a mistura de areia e resina por meio de imersão ou pulverização, e depois aquecido para curar a concha. M