Evolução das Fundições: Tecnologia de Ponta e Padrões de Segurança

Fundições continuam a evoluir adotando tecnologia inovadora e segurança no trabalho

Uma fundição é uma planta industrial onde metal é fundido e vazado em formas específicas ao vazá-lo em um molde. O processo em si tem séculos. Hoje, aproximadamente 90% de todos os bens manufaturados dependem de fundições metálicas para peças componentes, com carros e caminhões sendo o maior mercado. Alumínio, ferro e aço são as ligas mais comuns processadas em fundições.

História das fundições

Por gerações, a humanidade encontrou maneiras inovadoras de utilizar matérias-primas encontradas na natureza — trabalhar com metais tem sido parte da civilização desde tempos antigos. Uma ampla gama de artefatos foi descoberta por arqueólogos, de objetos de adoração a ferramentas e armas de guerra. Na verdade, as épocas da história humana foram nomeadas após os avanços na tecnologia de metais: Idade do Cobre, Idade do Bronze e Idade do Ferro. A fundição mais antiga conhecida por historiadores é um machado de cobre, descoberto enterrado com uma múmia de aproximadamente 3300 a.C.

A fundição e forno originaram-se da Mesopotâmia e regiões do Iraque e Síria. Fundições de argila e fossas de fogo quente trabalhavam para fundir e moldar cobre, ouro e prata. Estas fundições primitivas fundiam cobre e eram capazes de criar formas mais complexas, mas não foi até a introdução do estanho que o trabalho com metais fez um avanço significativo. A adição de estanho baixou a temperatura na qual os dois metais fundiam e formavam bronze — a primeira liga.

Através de séculos e gerações sucessivas, várias técnicas de trabalho com metais e fundição foram desenvolvidas e perdidas, à medida que diferentes civilizações emergiram para dominar o cenário cultural e tecnológico. É na Idade Média onde os processos de fundição de metais em fundições foram primeiro documentados. Vannoccio Biringuccio (1480-1539) é conhecido como o "pai da indústria de fundição" pois se tornou autor do primeiro manual sobre fundições, a partir do qual a tecnologia foi mais desenvolvida.

A primeira fundição oficial era conhecida como "Oficina de Canhões", construída em Moscou em 1479. A indústria de fundição de metais dos séculos 14 e 15 na Europa tornou-se conhecida pela produção de sinos, canhões e bolas de canhão de bronze e ferro.

Na América do Norte, a indústria de fundição de metais cresceu em apoio ao progresso dos colonos pelo Novo Mundo. Ferramentas mais avançadas e fortes, ferraduras e trilhos de ferrovia eram necessários para suprir a demanda das cidades e vilas em desenvolvimento.

Saugus Iron Works foi a primeira fundição nos EUA, comissionada em 1642 por fabricantes de aço europeus. Estabelecida em Lynn, Massachusetts, tornou-se conhecida como o berço da indústria americana de ferro e aço.

Desenvolvimentos em tecnologia de fundição

Processos de fundição estão em desenvolvimento contínuo para melhorar a qualidade de produtos e eficiência de produção, e aproveitar novas tecnologias. Avanços no desenvolvimento permitiram progressos significativos na fundição de metais em momentos-chave da história da indústria.

Desenvolvimentos de fornos

A migração de carvão para coque como combustível para fundições foi pioneira por Abraham Darby. Sua inovação em 1709 levou a uma melhoria significativa em eficiência e custo, e permitiu a construção de fornos muito maiores que eram previamente possíveis.

Forno cubilô

O forno cubilô foi desenvolvido em 1720 pelo francês René-Antoine Ferchault de Réaumur. A estrutura em forma de cúpula tem uma abertura para suprir a carga e portas articuladas na base para esvaziar o forno após desligamento. Uma cama de coque suporta o metal em fusão, coque e carga de fundente de calcário acima dos tuyeres (aberturas onde ar é suprido). Embora o forno cubilô tenha dominado o cenário de fundições, agora foi amplamente substituído por fornos de indução elétrica e fornos a arco elétrico mais eficientes.

Processo de cadinho

Na Inglaterra do século 18, Benjamin Huntsman foi o empreendedor por trás do desenvolvimento do processo de cadinho. Este foi o primeiro processo no qual o aço podia ser completamente fundido para render um produto uniforme após a fundição.

Forno a arco elétrico

A introdução de fornecimento comercial de eletricidade contribuiu para a invenção de fornos a arco elétrico. Eletrodos de grafite criam o arco elétrico e supram corrente como fonte de energia para fundir ferro. O primeiro forno a arco elétrico foi criado em 1900 por Paul Héroult da França. Em 1907, uma planta comercial foi estabelecida nos Estados Unidos. Estes fornos são mais econômicos em taxas de produção mais baixas e podem ser operados intermitentemente, dando mais flexibilidade a fundições de metais.

Forno de indução elétrica

Fornos de indução elétrica usam uma corrente alternada de alta potência fluindo através de uma bobina para induzir correntes parasitas no metal, gerando calor, e são os mais comumente encontrados em fundições de produção hoje.

Desenvolvimentos de fundição

Nos tempos antigos, fundição de metais era feita em moldes de argila. Um dos grandes reis assírios, Senaqueribe, afirma ter aperfeiçoado a técnica de fundir bronze e cobre em moldes de argila. Conforme o tempo progrediu, desenvolvimentos tecnológicos transformaram o processo de fundição — de fundições em areia a tecnologia eletromagnética.

Fundições em areia

Vannoccio Biringuccio, o fundidor do final do século 15 e início do 16, escreveu um livro sobre todas as formas de fundição e trabalho relacionado. O livro descreve o uso de fundições em areia, a próxima grande fase da tecnologia de fundição. Inicialmente areia seria misturada com argila como agente ligante para que o molde mantivesse sua forma durante a fundição, mas com o tempo novos tipos de areia e agentes ligantes foram desenvolvidos.

Areia verde é um dos materiais mais comuns em uso hoje. Historicamente, areia verde consistia de areia de sílica, argila bentonita, água e carvão marinho. No entanto, carvão marinho não é mais comumente usado hoje e foi substituído por outros materiais. Enquanto fundição em areia verde permanece em uso comum, processos "no-bake", de cura química, ou de fixação a frio estão se tornando predominantes nas fundições de hoje.

Fundição sob pressão

Fundição sob pressão e moldagem por investimento são técnicas modernas usando materiais recém-disponíveis para melhorar a qualidade do acabamento de fundição e o custo de produção. Fundição sob pressão é caracterizada por forçar metal fundido sob alta pressão em uma cavidade de molde. Uma máquina de câmara quente ou fria é usada dependendo do tipo de metal sendo fundido. Fundições sob pressão são conhecidas por fornecer bom acabamento de superfície e consistência dimensional.

Fundição contínua

Talvez o avanço mais significativo no processo de fundição tenha sido a introdução da máquina de fundição contínua. Metal fundido é vazado em um molde e lentamente retirado para criar comprimentos contínuos de metal solidificado. A principal vantagem deste método de fundição de aço carbono é a eliminação de algumas das etapas de processamento downstream. Estes semi-acabados podem ser mais facilmente transformados em produtos acabados através de laminação.

Moldes permanentes

No século 21, processos de fundição deram outro salto adiante através da introdução de tecnologia eletromagnética. Uma bobina de indução é enrolada em torno de um molde resfriado a água com corrente alternada gerando campos eletromagnéticos.

Estes campos eletromagnéticos passam através do metal em resfriamento causando a formação de correntes parasitas no metal fundido resultando em dois resultados positivos:

• O contato entre o metal em resfriamento e a superfície do molde é "suave" dando melhor qualidade de acabamento. Em fundição padrão resfriada a água, uma pele grossa de microestrutura grossa forma devido ao contato "duro" com o molde. Esta pele é fresada antes da laminação, resultando em desperdício significativo de produto e aumento de custos.
• A homogeneidade do metal é grandemente melhorada com redução nas segregações de contorno de grão.

Desenvolvimentos de qualidade

Sir Henry Bessemer foi o inovador por trás de novas técnicas para remover carbono e excesso de oxigênio do aço fundido que culminaram na invenção do conversor. Bessemer descobriu que soprar oxigênio através do metal fundido causava uma reação com carbono e silício no material — removendo impurezas mas também aquecendo o material para vazamento mais fácil.

Conversores são agora usados para graus finos de controle de qualidade definindo razões precisas de teor de carbono, e adicionando ligas e outros aditivos para as propriedades específicas do produto requeridas. Em um forno a arco elétrico, oxigênio pode ser injetado no banho para "queimar" carbono e muitos outros elementos e impurezas. Isso torna o banho inicial o mais limpo possível, e permite à fundição ligar a fusão ao conteúdo perfeito. Em fusão por indução, a fundição só pode começar com um banho criado a partir da alimentação ou sucata fundida — o conteúdo químico da sucata deve corresponder à química do banho que a fundição usa inicialmente.

Desenvolvimentos de medição e controle

Acoplado com avanços em métodos de produção, houve progresso nos métodos de teste laboratoriais de metal fundido enquanto a fabricação ainda está em processo. Amostras podem ser retiradas de conversores e analisadas usando espectrômetros ou análise de fluorescência de raio-X. Este feedback em tempo real de composição química cria uma oportunidade para fabricantes fazerem ajustes antes do vazamento, economizando tempo e recursos valiosos devido a retrabalho.

Embora um operador experiente possa detectar defeitos de superfície e falhas potenciais no produto fundido a olho nu, a melhoria em métodos de teste não destrutivos deu aos clientes mais segurança na integridade do produto:

• Penetrante Colorido e Pó Fluorescente podem ser suspensos em óleo penetrante e aplicados à superfície da fundição acabada. Rachaduras e falhas de superfície são imediatamente visíveis na aplicação do revelador ou na presença de luz ultravioleta.
• Inspeção radiográfica é o método mais eficaz para identificar furos internos, rachaduras ou inclusões. A fundição é exposta à radiação de um tubo de raio-X e a imagem criada no filme radiográfico indica mudanças na densidade da fundição. A vantagem deste método é que o raio-X serve como registro permanente, que pode acompanhar o produto através de seu ciclo de vida para controle de qualidade e segurança.
• Inspeção por Penetrante Líquido (LPI) pode encontrar minúsculas rachaduras, poros ou outras imperfeições de superfície em fundições ferrosas e não ferrosas que são difíceis de ver a olho nu. LPI usa uma solução de óleo com corante colorido na superfície da fundição que encontra seu caminho nos defeitos de superfície. Uma vez que um revelador especial é aplicado, os defeitos tornam-se claramente visíveis.
• Inspeção por Partículas Magnéticas (MPI) ajuda a identificar a localização de descontinuidades de superfície em metal ferroso. Pode também indicar defeitos subsuperficiais se a força magnetizante for suficiente para produzir um campo de vazamento na superfície. Neste teste, um fluxo magnético é induzido em material ferromagnético. Qualquer descontinuidade abrupta em seu caminho resulta em um campo local de vazamento de fluxo. Se partículas finamente divididas de material ferromagnético forem trazidas à vizinhança, elas oferecem um caminho de baixa relutância ao campo de vazamento, e tomam uma posição que delineia aproximadamente seus limites efetivos. A fundição a ser inspecionada é magnetizada, e sua superfície polvilhada com o pó magnético. Um fluxo de ar de baixa velocidade sopra o excesso de pó, deixando o defeito delineado pelas partículas de pó restantes. O pó pode ser aplicado enquanto a corrente magnetizante flui (método contínuo) ou após a corrente desligar (método residual). Pode ser aplicado seco ou suspenso, em um destilado de petróleo leve similar a querosene.

Inspeção por Partículas Magnéticas

Inspeção por Partículas Magnéticas (MPI) é um tipo de teste não destrutivo que usa fluxo magnético para determinar quaisquer defeitos de superfície. Assista enquanto um trabalhador realiza teste não destrutivo em uma solda de óleo e gás.

• Teste Ultrassônico (UT) identifica defeitos internos através do som empregando energia acústica de alta frequência transmitida em uma fundição. UT permite investigação da área transversal de uma fundição, e é portanto considerado um método de inspeção volumétrica. A energia acústica de alta frequência viaja através da fundição até atingir a superfície oposta, interface ou defeito. A interface ou defeito reflete porções da energia que são coletadas em uma unidade receptora e exibidas para o analista ver. O padrão de desvio de energia pode indicar a localização e tamanho de um defeito interno, bem como a espessura da parede e contagem de nódulos de ferro dúctil. UT requer conhecimento e experiência para uma interpretação precisa dos resultados — adicionando ao custo de inspeção.

Desenvolvimentos de segurança

Trabalhar em uma fundição é uma ocupação perigosa. Existem numerosos perigos químicos, mecânicos e de temperatura que devem ser controlados para eliminar danos potenciais aos trabalhadores.

Uma das áreas-chave que melhorou a segurança dos trabalhadores é a mecanização da indústria.

Anteriormente, panelas eram manuseadas manualmente, pegas e movidas ao redor do local da fundição. Panelas engrenadas foram então introduzidas, que permitiram a um operador operar e controlar a panela à distância em vez de ficar ao lado do recipiente de metal fundido. Guindastes foram introduzidos para levantar panelas em posição para vazamento, mas o ruído do ambiente de produção e restrições de linha de vista ainda significavam que operadores de guindaste eram vulneráveis a causar incidentes. Guindastes de processo são o desenvolvimento mais recente onde panelas correm em trilhos pré-definidos com elevadores, eliminando a chance de um operador estar no caminho da panela em movimento sob condições normais de operação.

O futuro das fundições

Tendências futuras de tecnologia

Eficiência é a motivação predominante impulsionando avanços tecnológicos em fundições. Há um forte foco em reduzir consumo de energia devido a uma ênfase em fabricação sustentável, bem como a redução associada de custos. Uma força de trabalho menor em fundições também reduzirá o potencial de ferimentos e otimizará a produção.

Melhorias em automação e um movimento em direção a simulações computacionais — como software de simulação de solidificação — reduzirão a dependência da indústria de fundição em mão de obra e melhorarão precisão e eficiência. Simulação de processo auxiliada por computador oferece modelos de processo que agora estão suficientemente maduros. Isso permite engenheiros de fundição usarem o mundo virtual em preparação para o real, minimizando assim o número de iterações de teste.

A máquina de medição por coordenadas (CMM) está trazendo um novo nível de medição de precisão ao chão de fábrica na indústria de usinagem. Inspeção de furos, ranhuras, peças soldadas e deformações pode ser feita rapidamente — reduzindo significativamente o tempo de ciclo. Os dados escaneados são então combinados com resultados táteis em relatórios gráficos para fácil interpretação. A CMM é uma força motriz no aumento de produtividade e fornecimento de insights práticos.

Tendências futuras de mercado

O mercado de fundições foi dominado na última década por consolidação em grandes conglomerados. Economias de escala são um motor-chave desta tendência e provavelmente continuarão no futuro previsível. Operações menores e menos eficientes continuarão a fechar devido à competitividade do mercado.

Tendências futuras ambientais e de segurança

Reciclagem de metais é uma das histórias de sucesso do desenvolvimento sustentável, mas permanece a necessidade de desenvolver o uso sustentável de outros produtos envolvidos no processo de fundições metálicas. Novas maneiras de usar escória e areias de molde gastas continuarão a ser identificadas e exploradas para acompanhar os avanços regulatórios constantes contra disposição de resíduos.

Avanços rápidos em tecnologia robótica abriram portas de oportunidade para reduzir a exposição de humanos a situações perigosas. Inovadores em tecnologia robótica para ambientes industriais estão desenvolvendo células de trabalho robóticas completamente automatizadas e que não requerem intervenção humana no local de trabalho.

Fundições e sua evolução contínua

Fundição de metais tem sido parte da sociedade humana desde tempos antigos, e só cresce em uso e avanços a cada dia.

Hoje, produtos de metal fundido afetam nossas vidas de múltiplas maneiras. Peças de carro, utensílios de cozinha, ferramentas e muitos outros produtos de uso diário são todos resultado dos processos de fabricação de fundições.

Ao longo de séculos, tecnologia fez avanços dramáticos para melhorar a consistência e controle de qualidade de produtos de metal fundido — enquanto melhora a segurança ocupacional de trabalhadores e reduz custos através de maior eficiência. Um estudo da história das fundições revela empreendedores, engenheiros, inovadores e solucionadores de problemas notáveis que cada um desempenhou um papel no desenvolvimento desta indústria.

As pressões econômicas do mercado global continuam a criar um ambiente que recompensa inovação, consistência e eficiência. As próximas décadas certamente produzirão novas tecnologias emocionantes como o uso de big data e robótica, e novos modelos de negócios através de fusões e atualizações. Tendências globais em direção a fabricação sustentável continuarão a impulsionar melhorias ambientais e de segurança na indústria, beneficiando trabalhadores e comunidades alike.

Referências

• Industrial Metal Castings. "History of Metal Casting"
• The Free Dictionary. "Foundry Industry"
• Waupaca Foundry. "Metal Casting History"
• US National Park Service. "Saugus Iron Works National Historic Site"
• Encyclopedia Britannica. "Cupola Furnace"
• The American Foundation for Syriac Studies. "The Context of Invention in the Ancient World"
• The iron and steel institute of Japan. "Steelmaking technology for the last 100 years"
• American Foundry Society. "Castings in our world"
• Metal Technologies. "History of metal castings"
• AMAG. "EMC technology raises quality and cost efficiency"
• T.P. Castings. "Foundry Industry: Brief History and Definition"