Do Forno ao Molde: A Precisão da Fundição de Metais

Do forno de fundição ao molde

Fundições são dramáticas. Fornos enormes, brilhando com calor, transformam pedaços de metal em líquidos fluidos incandescentes. Quando prontos, seus conteúdos são vazados em panelas de vazamento esperando, em meio a uma chuva de faíscas. Trabalhadores guiam o fluxo de metal do forno ao molde atrás de escudos térmicos, protegendo contra os perigos da temperatura e materiais. O chão da fundição é onde o design se torna real, num processo extraordinário que cria objetos cotidianos. Inovações na criação e manutenção das temperaturas requeridas para diferentes ligas fazem parte da evolução da metalurgia. O trabalho de derreter e vazer metal parece cenas dos livros de história, mas é onde algumas das ciências mais interessantes estão acontecendo.

A fabricação de metal fundido depende de fornos que podem ficar quentes o suficiente para trazer metais a um estado líquido. As primeiras fusões de minérios na história humana foram chumbo e estanho: estes metais macios podem ser derretidos no calor de uma fogueira de cozinha. Para criar metais mais fortes, metalurgistas precisavam de algo mais que chama de madeira.

Alto calor e avanço humano

A Idade do Bronze dependia da resistência do cobre. O cobre pode ter sido fundido acidentalmente num forno de cerâmica, que funciona pelo menos 200 °C mais quente que uma fogueira. A falta de registos escritos dessa época torna difícil ter certeza. Durante a Idade do Bronze, fornos tipo forno de cerâmica eram usados para extrair vários componentes elementares da rocha que derretiam a diferentes temperaturas, sendo o cobre o prêmio mais alto para fazer bom latão e bronze.

Há evidências de humanos usando ferro antes da Idade do Ferro. No entanto, estes itens eram feitos de ferro trabalhado que literalmente caiu do céu – ferro meteórico está numa forma relativamente pura comparado ao ferro terrestre. Podia ser aquecido e trabalhado como era encontrado. A verdadeira Idade do Ferro começou, no entanto, quando as pessoas descobriram como extrair ferro útil de minérios, e isso requer derreter até estados macios, tipo tafy, quase líquidos ou líquidos. Este avanço chegou a diferentes partes do globo em diferentes momentos mas envolveu a invenção de fornos de redução e uma construção lenta do conhecimento da metalurgia ferrosa. Fornos de redução permitem que o ferro fique quente o suficiente para ser trabalhado rumo à pureza, em vez de trazer o metal ao estado fundido, mas ajudaram com a lenta descoberta da química do ferro. É uma coisa derreter ferro: para fazer um metal forte utilizável a adição correta de carbono é necessária, e fornos de redução dependiam de combustível de carbono. Quando fornos ficaram quentes o suficiente para derreter ferro, metalurgistas também precisaram desenvolver seu entendimento de fundentes, que são aditivos usados para ajudar a purificar o metal final prevenindo formação de óxido.

Avanços trazidos por combinação inovadora de forno e química continuaram ao longo da história humana. O avanço metalúrgico obviamente inaugurou as Idades do Bronze e Ferro baseadas em seus nomes. A Revolução Industrial nos trouxe à Idade do Aço. O motor de combustão, ferrovias e práticas modernas de construção não seriam possíveis sem um importante avanço chamado processo Bessemer, que borbulha oxigênio através do aço fundido permitindo temperaturas mais altas e tempos de produção mais rápidos, permitindo a produção em massa de aço de qualidade.

Fusão vs. redução

Redução é o processo de remover um elemento metálico de minérios extraídos. A maioria dos metais é encontrada como veios em rochas, ou como partes de outros elementos. Redução é o primeiro passo de extração. Fusão é o que se faz com ligas metálicas ou metais puros. Sucata é fundida, minério é reduzido. Ferro-gusa são os lingotes de ferro brutos criados da redução de minério de ferro.

Altos-fornos

Altos-fornos, que são fornos muito altos injetados com gases pressurizados, são usados para redução. Altos-fornos produzem principalmente lingotes de uma liga intermédia, como ferro-gusa. Estes lingotes são então enviados a fundições envolvidas na fabricação.

Fundições de fabricação tomam ligas e aditivos e fundem-nos para fazer graus específicos de metal fundido em outros tipos de fornos de fusão.

Tipos de fornos de fusão de fundição

Tradicionalmente, fornos de cadinho e cubilô eram as formas mais comuns de forjar metais para fundição; nos dias modernos, fornos de arco elétrico e indução são comuns.

Fornos de cadinho

Fornos de cadinho são a forma mais básica de forno de metal. Um cadinho é um recipiente feito de material que pode lidar com temperaturas incrivelmente altas, frequentemente feito de cerâmica ou outro material refratário. É colocado na fonte de calor como uma panela pode sentar num fogo. O cadinho é preenchido, ou carregado, com metal e aditivos. Na era moderna, fornos de cadinho ainda estão em uso por joalheiros, amadores de quintal, algumas fundições não-ferrosas, e fundições fazendo trabalho de lotes muito pequenos. Cadinhos podem variar de uma taça muito pequena onde metais são derretidos por maçarico, como pode ser feito numa joalheria, a grandes vasos que contêm 22,7 kg de material. Cadinhos maiores são frequentemente colocados dentro de um forno tipo forno de cerâmica e podem ser retirados para vazamento, ou ter material retirado do topo.

Fornos cubilô

Fornos cubilô são longos, tipo chaminé, e preenchidos com coque de carvão e outros aditivos. O combustível dentro do cubilô é aceso, e quando o forno está suficientemente quente, ferro-gusa e sucata de ferro são adicionados diretamente. O processo de derreter o ferro ao redor do coque e aditivos adiciona carbono e outros elementos e produz diferentes graus de ferro e aço. Fornos cubilô não são mais geralmente usados em produção, pois métodos de arco elétrico e indução são mais eficientes na produção do calor necessário. No entanto, há alguns lugares onde a tradição mantém os fornos cubilô funcionando, como neste vídeo de Da Shu Hua, onde trabalhadores de fundição chineses lançam ferro fundido contra uma parede para criar faíscas dramáticas para receber o Ano Novo.

Fornos de arco elétrico

(FAEs) entraram em uso no final dos anos 1800. Eletrodos passam corrente elétrica através do metal dentro do forno, o que é mais eficaz que adicionar calor externo ao derreter grandes volumes de uma só vez. Um grande FAE usado em produção de aço pode conter até 363 toneladas. Uma "carga" deste aço é frequentemente feita de ferro pesado como placas e vigas, sucata triturada de carros e outra reciclagem, e lingotes de ferro-gusa de uma redução.

Após o tanque ser preenchido, eletrodos são colocados no metal, e um arco de eletricidade passa entre eles. À medida que o metal começa a derreter, os eletrodos podem ser empurrados mais para dentro da mistura ou afastados para criar um arco maior. Calor e oxigênio podem ser adicionados para acelerar o processo. À medida que metal fundido começa a formar, a voltagem pode ser aumentada, pois a escória criada no topo do metal age como um cobertor protetor para o teto e outros componentes do FAE.

Quando tudo está derretido, o forno inteiro é inclinado, para descarregar o metal líquido para uma panela abaixo. Às vezes as próprias panelas podem ser fornos FAE menores, encarregadas de manter o metal quente antes do vazamento.

Fornos de indução

trabalham com campos magnéticos em vez de arcos elétricos. Metal é carregado num cadinho cercado por um eletroímã potente feito de cobre enrolado. Quando o forno de indução é ligado, a bobina cria um campo magnético que inverte rapidamente pela introdução de uma corrente alternada. À medida que o metal derrete, o eletroímã cria correntes parasitas dentro do líquido que auto-misturam o material. O calor num forno de indução é criado pela excitação das moléculas no próprio ferro, significando que o que entra no cadinho é exatamente o que sai: não há adição de oxigênio ou outros gases ao sistema. Isso significa menos variáveis para controlar durante a fusão, mas também significa que um forno de indução não pode ser usado para refinar aço. O que entra, sai. Como forno FAE, fornos de indução frequentemente descarregam inclinando em panelas abaixo.

Fornos de indução são muito comuns e são simples de operar quando dada entrada de alta qualidade. Modelos comuns podem produzir 59 toneladas de aço a cada carga.

Todos os fornos no chão da fundição enfrentam um inimigo fatal: vapor. Água, mesmo em pequenas quantidades, pode causar respingos ou explosões, e assim toda sucata e ferro-ligas, bem como toda ferramenta usada em produção, deve estar seca antes do uso. Sucata metálica não deve ter áreas fechadas nas quais água ou vapor possam ter sido aprisionados. Mesmo as ferramentas usadas pelos trabalhadores da fundição devem estar livres de condensação ou umidade. Muitas fundições têm forno de secagem para garantir que sucata e ferramentas estão completamente secos antes de qualquer coisa tocar o forno de fundição.

Panelas de vazamento

Após o metal ser fundido, ele deve ser introduzido no molde. Em fundições menores, isso pode acontecer tudo numa etapa: um cadinho basculante ou de retirada pode levar metal do forno à areia. No entanto, isto é impraticável quando um forno contém muitas toneladas de metal. Tipicamente, na fabricação ferrosa, panelas transferem porções menores da fusão do forno principal.

Nestes sistemas, uma panela pode levar metal direto ao molde. No entanto, uma panela de transferência pode levar o líquido a um tanque de espera ou forno secundário. Panelas de tratamento são outro tipo disponível, usadas para dividir a fusão em porções, como um padeiro pode separar uma massa básica para usá-la como base para outras receitas. Por exemplo, ferro fundido líquido pode ter agentes adicionados na panela de tratamento para tornar o carbono dentro dele esférico em forma, em vez de laminado, criando um metal mais maleável chamado ferro dúctil.

Panelas podem ser muito pequenas e levantadas por trabalhadores da fundição ou podem conter muitas toneladas de metal e precisar de suporte mecânico. As maiores panelas são movidas através de uma fundição por carro de panela ou por guindaste aéreo ou sistema de trilhos.

Panelas de todos os tipos são projetadas para proteger o trabalhador de respingos, chamas ou faíscas durante o vazamento. Algumas panelas vazam sobre o lábio superior, ou bico de vazamento, e precisam ser inclinadas: estas frequentemente têm engrenagens que permitem ao trabalhador da fundição controlar cuidadosamente a taxa de vazamento. Outras panelas têm seu bico de vazamento no fundo do balde e o vazamento é controlado removendo e recolocando uma rolha.

Mistura de ligas

Ligas metálicas são feitas de misturas de elementos que são padronizadas por uma fórmula que especifica as porcentagens de cada tipo bem como os passos tomados em sua fabricação. Os fornos de fusão e panelas de tratamento de uma fundição são onde estes tipos de ligas são criados para fundições.

Fundições frequentemente se especializam em ligas ferrosas, que contêm ferro, ou ligas não-ferrosas específicas, como metais preciosos, à base de cobre, ou à base de alumínio.

Ligas ferrosas se dividem em ferro e aço. Ligas de ferro fundido incluem ferro cinzento, que inclui silício, e ferro dúctil, que tem um tipo de carbono esférico. Graus de aço fundido são definidos por porcentagens de carbono e outros aditivos na mistura. Aço inoxidável é um aço que inclui cromo, para ajudar a prevenir ferrugem através de passivação.

Ligas não-ferrosas incluem todos os outros metais, então não é surpresa que haja maior especialização em fundições não-ferrosas. Alguns lugares se especializam em zinco, alguns em alumínio; outros trabalham principalmente com ligas à base de cobre como latão e bronze. No entanto, há cruzamento. Se uma fundição particular trabalha com bronze e alumínio, por exemplo, provavelmente se especializará em certos graus de cada um.

Quaisquer ligas que uma fundição trabalhe, a premissa de fazer metal fundido e vazer em vazios para moldá-lo é a mesma. Uma ideia torna-se real no momento em que o metal flui para um molde.