Sebenta · Executar o processo de fusão de ligas metálicas (UC05040)

Introdução

Esta sebenta acompanha a unidade curricular Executar o processo de fusão de ligas metálicas, do curso de Técnico de Fundição. Antes de qualquer peça poder ser vazada num molde, é preciso obter o metal líquido com a composição química exata que a peça exige. Essa é a etapa da fusão: pesar e organizar a carga metálica certa, operar o forno segundo o manual do fabricante, controlar a temperatura, e corrigir a liga até ela cumprir a especificação.

O percurso desta UC segue quatro ações, que são as realizações oficiais do referencial: calcular a carga metálica, preparar a carga metálica e aditivos, executar as operações de fusão da carga metálica e efetuar a correção da composição química. Todo o capítulo seguinte se organiza à volta destas quatro etapas, do cálculo ao vazamento.

Ao longo dos próximos capítulos vamos conhecer as ligas metálicas e as suas propriedades, os ferro-ligas e os certificados que os acompanham, o cálculo de cargas, os tipos de fornos de fusão e os seus revestimentos, as operações de carregamento e controlo de temperatura, o tratamento e a escorificação do banho, a desoxidação, a análise laboratorial e a correção da composição, o vazamento, os defeitos ligados à fusão e, por fim, as normas de segurança, resíduos, ambiente e qualidade que atravessam todo o processo.

1. Metalurgia e ligas metálicas: composição química e propriedades

A metalurgia é a ciência e a técnica de obter e trabalhar metais e ligas metálicas. Uma liga metálica é a combinação de um metal base com um ou mais elementos, metálicos ou não, para lhe conferir propriedades que o metal puro não tem sozinho.

Por que a composição química decide tudo

As propriedades mecânicas de uma peça fundida (dureza, resistência à tração, ductilidade, resistência ao desgaste) dependem diretamente da composição química da liga e da forma como ela solidifica. Um pequeno desvio na percentagem de um elemento pode alterar significativamente o comportamento final da peça.

Famílias de ligas em fundição

• Ferros fundidos (cinzento, nodular): base ferro-carbono com teor de carbono elevado.
• Aços fundidos: base ferro-carbono com teor de carbono mais baixo, maior tenacidade.
• Ligas de alumínio: leves, baixa temperatura de fusão, boa fluidez.
• Ligas de cobre (bronzes, latões): boa resistência à corrosão e condutividade.

A tarefa do técnico de fusão é garantir que, no fim do processo, a liga obtida corresponde à composição especificada na ficha de trabalho, seja qual for a família.

2. O posto de trabalho: organização

Antes de qualquer operação de fusão, o critério de desempenho é claro: organizar o posto de trabalho em função dos equipamentos e instrumentos a utilizar.

O que organizar

• Ferramentas de fusão: colheres de recolha de escória, varas de agitação, moldes de amostra, termopares.
• Equipamentos de fusão: forno, sistema de pesagem, extração de fumos.
• Materiais metálicos: sucatas, lingotes e ferro-ligas, separados por tipo e identificados.
• Documentação técnica: ficha de trabalho, certificados de composição química, registos anteriores.
• Equipamento de proteção individual (EPI): disponível e verificado antes de vestir.

A organização do posto de trabalho não é um detalhe administrativo: um posto desarrumado atrasa a fusão, aumenta o risco de erro na pesagem da carga e é uma fonte direta de acidentes junto de metal líquido.

3. Ferro-ligas e certificados de composição química

Os ferro-ligas são ligas de ferro com um ou mais elementos (silício, manganês, crómio, molibdénio, níquel, entre outros) em concentração elevada, usadas para introduzir ou corrigir esses elementos na carga metálica sem ter de adicionar o metal puro, mais caro e mais difícil de fundir isoladamente.

Ferro-ligas mais comuns em fundição

O certificado de composição química

Cada lote de ferro-liga vem acompanhado de um certificado de composição química, emitido pelo fornecedor. É nele que consta a percentagem real do elemento nesse lote específico, com a sua tolerância. Interpretar corretamente o certificado é essencial: usar um teor genérico de catálogo em vez do valor certificado do lote introduz erro logo no cálculo da carga.

• Identificar o número de lote e confirmar que corresponde ao material fisicamente disponível.
• Confirmar o teor certificado do elemento principal, não o valor "de tabela".
• Registar o lote usado na ficha de trabalho, para rastreabilidade.

Priorizar a ordem de carregamento dos ferro-ligas

Nem todos os ferro-ligas entram no forno ao mesmo tempo. Elementos com maior afinidade para o oxigénio, ou que se perdem mais facilmente por oxidação ou volatilização, entram mais tarde no processo, muitas vezes já perto do vazamento, para minimizar a perda. Priorizar essa ordem é uma aptidão explícita desta UC.

4. Calcular a carga metálica

Calcular a carga metálica é a primeira realização da UC: determinar as quantidades dos materiais metálicos com base na composição química pretendida e nas características dos materiais disponíveis.

O princípio do balanço químico

O cálculo assenta num balanço de massa simples: a massa de um elemento que entra na carga (pela sucata e pelos ferro-ligas) tem de resultar na percentagem-alvo desse elemento na massa total da carga.

massa do elemento na carga final = % alvo × massa total da carga

Conhecendo a composição da sucata disponível (habitualmente já conhecida por análises anteriores ou por certificado) e o teor certificado do ferro-liga a usar, calcula-se quanto ferro-liga é preciso adicionar para atingir o alvo.

Exemplo resolvido: calcular a quantidade de FeSi

Pretende-se produzir 600 kg de carga metálica com um teor final de silício de 2,5%. A sucata disponível tem 1,0% de Si. A correção é feita com FeSi75 (75% Si), segundo o certificado do lote.

Resolução:

1. Massa de Si pretendida no total: 0,025 × 600 kg = 15 kg.
2. Massa de Si já presente na sucata (considerando toda a carga como sucata antes da correção): 0,010 × 600 kg = 6 kg.
3. Défice de Si a introduzir: 15 kg − 6 kg = 9 kg.
4. Massa de FeSi75 necessária: 9 kg ÷ 0,75 = 12 kg.

Conclusão: a carga de 600 kg deve incluir 12 kg de FeSi75, substituindo essa massa de sucata simples, para atingir 2,5% de silício no total.

5. Preparar a carga metálica e os aditivos

Preparar a carga metálica e aditivos é a segunda realização da UC, e é o critério de desempenho que exige selecionar, dosear e organizar os materiais metálicos e aditivos em função do processo de fusão.

Passos da preparação

1. Verificar o estado dos materiais metálicos: sucatas limpas, sem óleos, tintas ou humidade excessiva, que geram gases e defeitos na fusão.
2. Identificar os diversos ferro-ligas disponíveis e confirmar que correspondem ao cálculo feito.
3. Pesar os componentes da carga com rigor, de acordo com o resultado do cálculo.
4. Organizar os materiais metálicos a introduzir no forno, por ordem de carregamento definida.
5. Priorizar a ordem de carregamento das ferro-ligas no forno, conforme o critério visto no capítulo 3.

Cuidados na preparação

• Materiais húmidos nunca entram no forno: a humidade em contacto com metal fundido evapora bruscamente e projeta metal líquido.
• Sucata com óleos ou tintas liberta fumos e pode contaminar a liga com carbono ou outros elementos indesejados.
• Peças de sucata demasiado grandes atrasam a fusão e podem danificar o revestimento do forno ao serem introduzidas; corta-se antes o que for necessário.

6. Fornos de fusão: tipos, funcionamento e revestimentos

Operar os fornos de fusão é o coração da terceira realização da UC. O referencial pede que se conheçam os tipos de fornos, os seus princípios de funcionamento e os tipos de revestimento.

Tipos de fornos de fusão

Tipos de revestimento refratário

O interior do forno é revestido com material refratário, resistente às temperaturas de fusão. A escolha do revestimento depende da química da liga e da escória gerada:

• Revestimento ácido (à base de sílica): compatível com escórias ácidas, mais económico.
• Revestimento básico (magnesite, dolomite): resiste melhor a escórias básicas, comum em ligas onde é preciso remover enxofre e fósforo.
• Revestimento neutro (alumina): usado quando se quer minimizar reações entre o revestimento e a escória.

Usar o revestimento errado para a liga em fusão acelera o desgaste do forno e pode contaminar quimicamente o banho metálico.

7. Manutenção preventiva dos fornos de fusão

A manutenção preventiva garante que o forno funciona dentro dos parâmetros previstos pelo fabricante e evita paragens não planeadas, que custam produção e podem comprometer uma carga já em fusão.

O que inclui

• Inspeção do revestimento refratário: procurar fissuras, desgaste excessivo ou zonas mais finas.
• Verificação dos sistemas de refrigeração (em fornos de indução, é crítica).
• Calibração de instrumentos: termopares, sensores de temperatura, sistemas de pesagem.
• Limpeza regular de escórias acumuladas e resíduos metálicos.
• Registo de todas as intervenções, essencial para planear a próxima manutenção e detetar padrões de desgaste.

A manutenção preventiva não é uma tarefa à parte da fusão: é o que garante que o forno se comporta como previsto no manual do fabricante, condição indispensável para operar de acordo com os procedimentos definidos.

8. Executar as operações de fusão: carregamento e controlo da temperatura

Executar as operações de fusão da carga metálica é a terceira realização da UC, e junta o carregamento do forno ao controlo rigoroso da temperatura.

Operar o forno segundo o manual

• Seguir sempre o manual de instruções do fabricante e os procedimentos definidos para o forno em causa.
• Respeitar a ordem de carregamento planeada: materiais de maior massa e menor risco de oxidação primeiro, ferro-ligas mais sensíveis por último.
• Vigiar o forno durante toda a fusão, sem deixar a carga sem supervisão.

Controlar a temperatura de fusão

Cada metal e liga tem uma temperatura de fusão própria, e a fusão deve decorrer um pouco acima dela, para compensar perdas de calor e garantir fluidez suficiente até ao vazamento.

Exemplo resolvido: sobreaquecimento controlado

Uma liga de alumínio funde a 660 °C. O procedimento definido pede um sobreaquecimento de 40 a 60 °C acima da fusão, para garantir fluidez suficiente até à recolha da amostra e ao vazamento.

Resolução: a temperatura de trabalho do banho deve ficar entre 700 °C e 720 °C (660 + 40 a 660 + 60). Manter a carga demasiado perto dos 660 °C arrisca início de solidificação em zonas mais frias do forno; sobreaquecer muito além dos 720 °C acelera a oxidação do banho e o consumo de energia, sem benefício adicional.

9. Tratamento e escorificação do metal fundido

Durante a fusão, formam-se à superfície do banho impurezas e óxidos: a escória. Tratar e escorificar corretamente o metal fundido é parte central da execução das operações de fusão.

O que é a escória e de onde vem

A escória resulta da oxidação de elementos da liga, de resíduos da sucata (areia agarrada, óxidos) e de reações com o revestimento do forno. Flutua à superfície por ter menor densidade do que o metal líquido.

Procedimentos de escorificação

1. Identificar escórias na superfície do metal fundido, pela cor e pelo aspeto.
2. Adicionar, se necessário, um fundente que ajuda a escória a separar-se do metal e a flutuar de forma mais completa.
3. Aplicar os procedimentos de limpeza das escórias metálicas, retirando-as com colher própria, sem retirar metal líquido em excesso.
4. Repetir a escorificação sempre que necessário antes da recolha da amostra e do vazamento.

10. Desoxidação do banho metálico

O oxigénio dissolvido no metal líquido, se não for removido, fica retido na peça sob a forma de óxidos e porosidade. Identificar os tipos de desoxidação é uma aptidão explícita da UC.

Tipos de desoxidação

• Desoxidação por precipitação: adicionam-se elementos com grande afinidade para o oxigénio (silício, manganês, alumínio), que reagem com ele formando óxidos sólidos, mais fáceis de remover à superfície como escória.
• Desoxidação por difusão: atua sobre a escória, reduzindo o seu teor de óxidos, o que puxa o equilíbrio químico e retira oxigénio do metal por difusão até à interface metal-escória.

Na prática de fundição corrente, a desoxidação por precipitação é a mais usada, muitas vezes com os próprios elementos de liga (silício, manganês) a desempenhar esse papel duplo: corrigem a composição e desoxidam ao mesmo tempo.

11. Análise dos elementos de liga: amostragem e resultados

Antes de dar a fusão por concluída, confirma-se por análise laboratorial que a composição real corresponde à pretendida. É este resultado que permite, se necessário, corrigir a liga antes do vazamento.

Aplicar os procedimentos de recolha de amostras

• Escorificar bem a superfície antes de recolher.
• Verter uma pequena porção do banho num molde de amostra normalizado, deixando arrefecer rapidamente para preservar a estrutura representativa do banho.
• Identificar a amostra com o número do lote e a hora da recolha, para rastreabilidade.

Equipamentos e parâmetros analíticos

• Espectrómetro de emissão ótica: o equipamento mais comum em laboratórios de fundição, dá a composição percentual de vários elementos numa só leitura.
• Cada elemento analisado é comparado com o intervalo de especificação definido na ficha de trabalho ou na norma aplicável.

Interpretar os resultados das análises químicas

O boletim de análise mostra, elemento a elemento, se o valor está dentro, abaixo ou acima do intervalo especificado. Interpretar corretamente esse boletim é o que decide se a liga está pronta para vazar ou se precisa de correção.

12. Efetuar a correção da composição química

Efetuar a correção da composição química é a quarta e última realização da UC: calcular a correção da liga metálica a partir do resultado da análise e assegurar a obtenção da liga metálica com a composição definida.

Exemplo resolvido: correção de manganês depois da análise

Uma carga de 800 kg foi fundida a partir de sucata com 0,30% de Mn. A ficha de trabalho exige 0,90% de Mn. Decide-se corrigir com ferro-manganês (FeMn) a 80% Mn.

Resolução:

1. Massa de Mn pretendida no total: 0,0090 × 800 kg = 7,2 kg.
2. Massa de Mn já presente (sucata a 0,30%): 0,0030 × 800 kg = 2,4 kg.
3. Défice de Mn: 7,2 kg − 2,4 kg = 4,8 kg.
4. Massa de FeMn a adicionar: 4,8 kg ÷ 0,80 = 6 kg.

Conclusão: adicionam-se 6 kg de FeMn ao banho, seguidos de nova agitação, novo período de espera para homogeneizar, e nova recolha de amostra para confirmar que o teor de Mn passou a estar dentro da especificação antes de autorizar o vazamento.

O ciclo de correção

A correção da composição química não é um passo único: pode repetir-se. O ciclo é sempre o mesmo: analisar → calcular a correção → adicionar → homogeneizar → analisar de novo, até a liga cumprir a especificação em todos os elementos controlados.

13. Procedimentos de vazamento

Confirmada a composição, cumprir os procedimentos de vazamento é o critério de desempenho que fecha o ciclo da fusão, entregando o metal já pronto ao processo de moldação.

• Confirmar a temperatura de vazamento definida para a liga, sempre acima da temperatura de fusão.
• Escorificar uma última vez a superfície do banho, imediatamente antes de verter.
• Verter de forma contínua e controlada, sem interromper o jato desnecessariamente.
• Registar na ficha de trabalho a hora do vazamento, a temperatura registada e o resultado final da análise.

O vazamento é o momento em que todo o trabalho de cálculo, preparação, fusão e correção se materializa na peça. Um erro nesta fase final não se corrige depois: a peça já está a solidificar.

14. Defeitos associados ao processo de fusão

Nem todos os defeitos de uma peça fundida vêm da moldação: muitos nascem já na fusão, antes de o metal sequer chegar ao molde.

Exemplo resolvido: interpretar um desvio de composição

Uma peça fundida sai com teor de silício sistematicamente abaixo do especificado, apesar do cálculo da carga estar correto no papel.

Resolução: a causa mais provável é a perda de silício por oxidação durante a fusão, sobretudo se o FeSi foi carregado demasiado cedo e permaneceu muito tempo em contacto com o banho a alta temperatura antes do vazamento. A correção do processo passa por rever a ordem de carregamento (introduzir o FeSi mais tarde) e, entretanto, ajustar a quantidade calculada com uma margem que compense essa perda típica, confirmada sempre pela análise laboratorial antes do vazamento.

15. Segurança, resíduos, ambiente e qualidade

O último critério de desempenho da UC junta cinco frentes que atravessam toda a fusão: segurança e saúde no trabalho, proteção individual, gestão de resíduos, proteção ambiental e qualidade.

Riscos e prevenção de acidentes

A fusão de metais reúne temperaturas elevadas, metal líquido e equipamentos de grande potência: é uma das fases mais perigosas de toda a fundição.

• EPI obrigatório: viseira facial, luvas e avental resistentes ao calor, botas de biqueira de aço.
• Nunca aproximar material húmido do metal líquido: a água em contacto com metal fundido evapora-se de forma explosiva.
• Zona de fusão sinalizada, com ventilação adequada aos fumos metálicos.
• Cumprir sempre os procedimentos de emergência definidos, com extintores próprios para fogo de metal, nunca água.

Normas de gestão de resíduos e proteção ambiental

• Escória: separada e encaminhada conforme as normas aplicáveis, ou reintroduzida quando o processo o permite.
• Fumos e emissões da fusão: captados e tratados, cumprindo as normas de proteção ambiental.
• Retornos metálicos (gitos, massalotes de peças anteriores): reintroduzidos como parte da carga em fusões seguintes.

Normas da qualidade e registos

• Registar em cada fusão: composição-alvo, materiais usados, lotes, temperatura, resultados de análise e correções aplicadas.
• Os registos garantem rastreabilidade até ao lote de metal, indispensável se uma peça falhar mais tarde na produção.
• Cumprir as normas da qualidade é parte do critério de desempenho avaliado em cada fusão, não um anexo burocrático.

Erros comuns

• Usar o teor "de tabela" de um ferro-liga em vez do valor do certificado do lote realmente disponível.
• Carregar os ferro-ligas mais sensíveis à oxidação cedo demais, perdendo elemento antes do vazamento.
• Esquecer a escorificação antes de recolher a amostra, dando um resultado de análise pouco fiável.
• Confundir temperatura de fusão com temperatura de vazamento: a de vazamento é sempre superior.
• Corrigir a composição só pelo cálculo, sem confirmar com nova análise depois da adição.
• Carregar sucata húmida ou com óleo, causando fumo, perda de rendimento e defeitos por gás.
• Usar um revestimento de forno incompatível com a química da liga, contaminando o banho.
• Não registar o lote dos ferro-ligas e os resultados de análise, perdendo a rastreabilidade da carga.

Glossário

• Liga metálica: combinação de um metal base com um ou mais elementos, para obter propriedades específicas.
• Carga metálica: conjunto de materiais metálicos (sucata, lingotes, ferro-ligas) introduzidos no forno numa fusão.
• Ferro-liga: liga de ferro com um elemento em concentração elevada, usada para ajustar a composição da carga.
• Certificado de composição química: documento do fornecedor com o teor real de um lote de material.
• Balanço químico: cálculo que garante que a massa de cada elemento na carga atinge a percentagem-alvo.
• Forno de indução: forno que aquece o metal por corrente elétrica induzida, sem chama direta.
• Cubilote: forno vertical alimentado por coque, usado sobretudo na fusão de ferro fundido.
• Revestimento refratário: material que reveste o interior do forno, resistente à temperatura de fusão.
• Escória: camada de impurezas e óxidos que flutua à superfície do metal fundido.
• Escorificação: operação de retirar a escória da superfície do banho metálico.
• Desoxidação: remoção do oxigénio dissolvido no metal líquido.
• Espectrómetro de emissão ótica: equipamento de análise que determina a composição química de uma amostra metálica.
• Sobreaquecimento: elevação da temperatura do banho acima da temperatura de fusão, para compensar perdas de calor.
• Temperatura de vazamento: temperatura a que o metal é vertido, sempre superior à de fusão.
• EPI: equipamento de proteção individual.

Síntese

A fusão de ligas metálicas segue sempre o mesmo ciclo: calcular a carga metálica a partir da composição-alvo e da composição real dos materiais disponíveis, preparar e organizar a carga e os ferro-ligas por ordem certa, executar a fusão no forno adequado, controlando a temperatura e tratando a escória e a desoxidação do banho, recolher amostras e interpretar a análise laboratorial e, sempre que necessário, corrigir a composição química até a liga cumprir a especificação, antes de vazar o metal segundo o procedimento definido. Transversalmente a todas as fases, cumprem-se as normas de segurança e saúde no trabalho, o uso de EPI, a gestão de resíduos, a proteção ambiental e as normas da qualidade, sempre com registo completo na ficha de trabalho. Dominar este ciclo é o que distingue um técnico de fusão competente.

Exercícios resolvidos

1. Uma carga de 500 kg de sucata tem 0,8% de silício. O alvo é 2,0% de Si, corrigido com FeSi75. Quanto FeSi75 é necessário?

Resolução: Si pretendido: 0,020 × 500 = 10 kg. Si já presente: 0,008 × 500 = 4 kg. Défice: 10 − 4 = 6 kg. FeSi necessário: 6 ÷ 0,75 = 8 kg.

2. Porque é que a temperatura de vazamento é sempre superior à temperatura de fusão da liga?

Resolução: porque o metal perde calor no percurso entre o forno e o molde. Se fosse vertido exatamente à temperatura de fusão, começaria a solidificar antes de preencher toda a cavidade, causando defeitos de falta de enchimento. O sobreaquecimento compensa essa perda de calor.

3. Um técnico recolhe uma amostra sem escorificar a superfície do banho primeiro. Que problema isso causa?

Resolução: a amostra fica contaminada com escória arrastada, o que faz o resultado da análise laboratorial mostrar teores de impurezas irrealmente elevados, ou uma composição pouco representativa do metal real. A escorificação tem de acontecer sempre antes da recolha da amostra.

4. Explica a diferença entre desoxidação por precipitação e desoxidação por difusão.

Resolução: na desoxidação por precipitação, adicionam-se elementos (silício, manganês, alumínio) diretamente ao metal líquido, que reagem com o oxigénio dissolvido e formam óxidos sólidos, removidos depois como escória. Na desoxidação por difusão, atua-se sobre a escória, reduzindo o seu teor de óxidos, o que retira oxigénio do metal por difusão através da interface metal-escória.

5. Depois de uma correção de composição química, um colega diz que já não é preciso analisar outra vez, "porque o cálculo está certo". Corrige-o.

Resolução: o cálculo teórico não garante o resultado real: parte do elemento adicionado pode perder-se por oxidação, e a correção de um elemento muda a massa total da carga, o que também afeta a percentagem dos outros. A liga só está confirmada depois de uma nova análise depois da correção, nunca só pelo cálculo.

6. Uma fundição carrega o ferro-manganês logo no início da fusão, junto com toda a sucata. Que risco corre e o que devia ter feito?

Resolução: corre o risco de perder manganês por oxidação, porque o elemento fica exposto a alta temperatura durante todo o tempo de fusão. Devia ter priorizado a ordem de carregamento, introduzindo o FeMn mais tarde no processo, mais próximo do vazamento, para minimizar o tempo de exposição e a perda do elemento.