Sebenta · Calcular e ajustar a carga metálica no processo de fundição (UC05419)

Introdução

Esta sebenta ensina a calcular e ajustar a carga metálica de um forno de fundição, do primeiro levantamento de consumíveis até à validação final da composição química. É uma competência central do trabalho de laboratório numa fundição: antes de qualquer peça ser vazada, alguém teve de decidir quanto de cada matéria-prima entra no forno para que o metal saia dentro da especificação.

O percurso segue o de um técnico de laboratório real: primeiro selecionar a liga e a tecnologia de fusão, depois levantar os consumíveis disponíveis (matérias-primas, ferro-ligas, aditivos, fundentes, escorificantes), calcular o balanço químico da carga, prever rendimentos e custos, e por fim corrigir e validar o resultado face à norma. Ao longo do caminho, cumprem-se sempre as normas de segurança, ambiente e qualidade.

Objetivos de aprendizagem (referencial): interpretar normas e especificações de material na seleção da liga; identificar as características e fluxos do processo de elaboração e fusão; selecionar matérias-primas, aditivos e consumíveis; calcular e avaliar custos e rendimentos; calcular, definir, ajustar e validar a composição da carga metálica; e cumprir as normas de segurança, saúde, gestão de resíduos, proteção ambiental e qualidade.

1. O processo de fundição e a carga metálica

A fundição é o processo de fabrico que consiste em fundir um metal ou liga e vazá-lo num molde, onde solidifica com a forma da peça pretendida. Antes de qualquer molde ser enchido, é preciso ter metal líquido com a composição química certa, e é aí que entra o cálculo da carga.

A carga metálica é o conjunto de matérias-primas metálicas (e respetivos aditivos) que se introduz no forno para, por fusão, obter a liga pretendida. Calcular a carga é decidir a proporção de cada material para atingir uma composição alvo, ao menor custo possível e com o mínimo de correções.

Onde se aplica

Esta competência aplica-se em diversos contextos da indústria de fundição:

• Fundições de produção em série (peças automóvel, sanitários, válvulas).
• Fundições de peças unitárias ou de grande porte (naval, energia, obras públicas).
• Laboratórios de controlo de qualidade, que calculam e validam cada colada antes de vazar.

O fluxo completo do processo produtivo é: selecionar a liga e a tecnologia de fusão → levantar consumíveis → calcular a carga → carregar e fundir → analisar quimicamente → corrigir se necessário → validar e vazar. Esta sebenta segue exatamente esta ordem.

2. Matérias-primas em fundição

Toda a carga metálica combina três famílias de matérias-primas:

O gusa (ferro-gusa, pig iron) é o lingote de primeira fusão típico das cargas de ferro fundido: rico em carbono (cerca de 4 a 4,5%), serve de base à maioria das cargas ferrosas. Nas ligas não ferrosas, o mesmo papel cabe aos lingotes de alumínio primário ou de zamak.

Critérios de seleção (qualidade/custo)

• Composição química certificada e compatível com a liga a produzir.
• Ausência de residuais indesejados (cobre, estanho, zinco em ferro fundido, por exemplo).
• Limpeza física: sem óleos, tintas, terra ou humidade (risco de projeção violenta ao fundir).
• Preço por kg e disponibilidade no mercado.
• Rendimento metálico esperado: quanto se perde em escória e oxidação.

Uma matéria-prima barata mas suja, húmida ou com residuais custa mais caro no fim da linha: obriga a correções, aumenta o desperdício e pode comprometer a peça.

3. Ferro-ligas, aditivos, fundentes e escorificantes

Ferro-ligas

As ferro-ligas são ligas de ferro com um elemento em concentração elevada, usadas para corrigir ou ajustar a composição da carga:

• FeSi (ferro-silício, tipicamente 75% Si): adiciona silício.
• FeMn (ferro-manganês): adiciona manganês.
• FeCr, FeMo: usadas em ligas especiais, para adicionar crómio ou molibdénio.

Vêm sempre com certificado de composição química, e são o "afinador fino" da composição, depois de a base da carga (gusa + sucata) estar definida.

Aditivos de tratamento

• Inoculantes: afinam o grão e melhoram a estrutura de solidificação.
• Nodularizantes (ligas FeSiMg): transformam a grafite em nódulos, dando origem ao ferro fundido nodular.
• Recarburantes (grafite, coque metalúrgico): repõem carbono quando a carga tem pouco.
• Desoxidantes: removem oxigénio dissolvido antes do vazamento.

Fundentes e escorificantes

• Fundentes: baixam a temperatura de fusão da escória e ajudam a formá-la (por exemplo, calcário em fornos de cubilote).
• Escorificantes: promovem a separação e limpeza da escória à superfície do banho, retendo impurezas e óxidos.

Ambos protegem o metal líquido da oxidação, mas um forma a escória e o outro trata-a; não são sinónimos.

4. Normas, especificações e certificados de material

As normas e especificações de material definem, para cada classe de liga, os intervalos aceitáveis de composição química e, muitas vezes, as propriedades mecânicas mínimas. Cada norma atribui uma designação de liga e limites para elementos como C, Si, Mn, S e P.

Interpretar corretamente a norma é o primeiro passo de todo o cálculo de carga: sem saber o intervalo alvo, não há proporções a calcular.

Certificados de ensaio e de conformidade

Cada lote de matéria-prima deve chegar acompanhado de:

• Certificado de composição química: percentagem de cada elemento, obtida por ensaio laboratorial (normalmente espectrometria).
• Certificado de conformidade: declaração de que o lote cumpre a especificação acordada com o fornecedor.

Antes de entrar na carga, o técnico confirma o certificado contra a especificação da liga a produzir. Sem certificado válido, o lote não deve entrar no cálculo sem análise própria prévia.

Exemplo resolvido · verificar um certificado

Um lote de gusa chega com o certificado: C = 4,25%, Si = 1,05%, Mn = 0,28%, S = 0,028%, P = 0,048%. A especificação interna da fundição para gusa de base exige: C entre 4,0 e 4,5%, Si entre 0,8 e 1,2%, S máximo 0,04%, P máximo 0,06%.

Resolução: todos os valores do certificado caem dentro dos intervalos exigidos (C, Si, S e P conformes). O lote está conforme e pode entrar no cálculo da carga.

5. Composição química das ligas metálicas

Elementos e as suas funções

Estes efeitos justificam os limites impostos pela norma: não são arbitrários, resultam da metalurgia física de cada liga. Conhecer a função de cada elemento é o que permite prever o resultado de qualquer ajuste de carga, em vez de o descobrir por tentativa e erro.

Famílias de ligas metálicas

• Ferro fundido cinzento: grafite lamelar, boa fundibilidade e bom amortecimento de vibração.
• Ferro fundido nodular: grafite esferoidal (por tratamento com FeSiMg), maior resistência e ductilidade.
• Aço fundido: baixo teor de carbono relativo ao ferro fundido, maior tenacidade.
• Ligas de alumínio para fundição (famílias Al-Si): leves, boa fundibilidade, muito usadas em automóvel e aeronáutica.
• Bronzes e latões: ligas de cobre com estanho ou zinco, usadas em componentes de atrito e peças decorativas.

O método de cálculo de carga (balanço de massa, regra da cruz) é comum a todas estas famílias; o que muda são os materiais disponíveis e os intervalos-alvo de cada norma.

6. Balanço de massa: princípios do cálculo de carga

O balanço de massa aplica um princípio simples: a massa de cada elemento que entra na carga mantém-se no metal produzido, salvo as perdas por oxidação e escorificação. Para cada material, sabe-se a massa e a composição (percentagem de cada elemento); a massa desse elemento nesse material é massa × percentagem. Somando todos os materiais e dividindo pela massa total da carga, obtém-se a percentagem final desse elemento.

Para um elemento X, com n materiais de massa m_i e composição %X_i:

%X_final = (m1 × %X1 + m2 × %X2 + ... + mn × %Xn) / (m1 + m2 + ... + mn)

Esta fórmula aplica-se elemento a elemento: uma equação para C, outra para Si, outra para Mn. Com dois materiais e um elemento alvo, resolve-se diretamente para as proporções, o que dá origem à regra da cruz do capítulo seguinte.

Exemplo resolvido · verificar uma mistura simples

Uma carga junta 500 kg de gusa a 4,0% C com 500 kg de sucata a 0,2% C. Qual é o teor de carbono final?

Resolução: %C = (500 × 4,0 + 500 × 0,2) / 1000 = (2000 + 100) / 1000 = 2,1% C. Note-se que não se pode somar as percentagens diretamente (4,0 + 0,2 = 4,2, dividido por 2 daria 2,1, coincidência apenas porque as massas são iguais); com massas diferentes, é sempre necessário pesar pela massa de cada material.

7. Calcular a carga metálica: a regra da cruz

A regra da cruz (ou regra de Pearson) resolve o caso de dois materiais e um elemento alvo. Para misturar um material de teor alto H com um de teor baixo L, de modo a atingir um alvo T:

partes de H = T − L
partes de L = H − T
total de partes = H − L

% de H na carga = (T − L) / (H − L)
% de L na carga = (H − T) / (H − L)

Exemplo resolvido · gusa e sucata para o carbono

Produzir 1000 kg de ferro fundido com %C alvo = 3,40%, a partir de gusa (H = 4,3% C) e sucata de aço (L = 0,20% C).

1. Partes de gusa = T − L = 3,40 − 0,20 = 3,20
2. Partes de sucata = H − T = 4,30 − 3,40 = 0,90
3. Total de partes = 3,20 + 0,90 = 4,10
4. % gusa = 3,20 / 4,10 = 78,0% → 780 kg
5. % sucata = 0,90 / 4,10 = 22,0% → 220 kg

Verificação: (780 × 4,3 + 220 × 0,2) / 1000 = (3354 + 44) / 1000 = 3,40% C. Confirmado.

Cálculo para uma liga não ferrosa

O mesmo método serve para ligas de alumínio. Produzir 100 kg de uma liga Al-Si com 10% Si, a partir de retorno de alumínio (10% Si), lingote de alumínio puro (0% Si) e liga-mãe AlSi50 (50% Si):

1. O retorno (60 kg) já entra com 10% Si: contribui 60 × 0,10 = 6 kg de Si.
2. Falta atingir 10 kg de Si em 100 kg de carga: faltam 4 kg de Si.
3. Com a liga-mãe a 50% Si: massa necessária = 4 / 0,50 = 8 kg de AlSi50.
4. O restante é lingote de alumínio puro: 100 − 60 − 8 = 32 kg.

Verificação: Si total = 60×0,10 + 8×0,50 + 32×0 = 6 + 4 + 0 = 10 kg = 10% Si em 100 kg. Confirmado.

8. Fornos de fusão e tecnologia de fusão

A escolha da tecnologia de fusão condiciona a carga possível e a precisão do ajuste de composição:

A tecnologia de fusão e a liga a produzir escolhem-se em conjunto: o alumínio, por exemplo, não se funde num cubilote, e uma liga que exija controlo fino de composição pede um forno de indução.

9. Efeito da temperatura na diluição dos aditivos

A temperatura de fusão afeta diretamente o rendimento dos aditivos:

• A temperaturas mais altas, elementos como Si, Mn e Mg oxidam mais e passam para a escória: o rendimento de incorporação desce.
• Tempos de espera (superaquecimento) mais longos agravam esta perda: o efeito do aditivo esvai-se com o tempo.
• Temperaturas demasiado baixas dificultam a dissolução completa da ferro-liga, deixando partículas por fundir no banho.

Existe uma janela de temperatura ótima para cada aditivo: nem tanto que oxide, nem tão pouco que não dissolva. É por isso que os inoculantes se adicionam o mais tarde possível antes do vazamento, minimizando o tempo de exposição à oxidação.

Na prática, o rendimento de um aditivo não é um valor fixo de tabela: depende da temperatura de vazamento, do tempo de permanência no forno e da agitação do banho. As fundições registam, ao longo do tempo, o rendimento médio observado para cada aditivo e cada condição de trabalho, e é esse valor histórico que entra na fórmula de cálculo da carga.

10. Rendimentos e custos da carga

Rendimento metálico

Nem toda a carga carregada no forno se transforma em metal líquido útil: parte perde-se em escória, oxidação e queima.

rendimento metálico = massa de metal líquido obtida / massa total carregada

Rendimento de incorporação de uma ferro-liga

Quando se adiciona uma ferro-liga, só uma fração do elemento fica dissolvida no banho:

massa a adicionar = necessidade do elemento / (teor da liga × rendimento de incorporação)

Exemplo resolvido · adição de FeSi75 com rendimento

Uma carga de 1000 kg tem 0,835% de Si e precisa de chegar a 2,1% Si. Faltam 2,1 − 0,835 = 1,265% Si, ou seja, 12,65 kg de Si. Usando FeSi75 (75% Si) com rendimento de incorporação de 85%:

massa de FeSi75 = 12,65 / (0,75 × 0,85) = 12,65 / 0,6375 ≈ 19,8 kg

Arredonda-se para 20 kg de FeSi75, valor prático de balança. Ignorar o rendimento é a causa mais comum de composições que ficam sempre abaixo do previsto.

Exemplo resolvido · custo por kg de metal líquido

Carga: 780 kg de gusa (0,35 €/kg) + 220 kg de sucata (0,25 €/kg) + 20 kg de FeSi75 (1,60 €/kg). Rendimento metálico: 92%.

Custo total = 780×0,35 + 220×0,25 + 20×1,60 = 273,00 + 55,00 + 32,00 = 360,00 €
Metal líquido = 1000 × 0,92 = 920 kg
Custo por kg de metal = 360,00 / 920 ≈ 0,391 €/kg

Calcular e avaliar custos e rendimentos é um critério de desempenho explícito da UC: o custo por kg de metal líquido é sempre superior ao custo médio dos materiais carregados, porque parte da carga não chega a ser metal útil.

11. Correção da carga e validação de resultados

Depois da fusão, a análise química do banho (por espectrometria) pode mostrar um desvio face ao alvo. A correção calcula-se com a mesma lógica do balanço de massa, agora tratando o banho já existente como um dos materiais:

(massa_banho × %atual + massa_adição × %adição) / (massa_banho + massa_adição) = %alvo

Resolve-se em ordem à massa_adição. Se o elemento estiver a mais, adiciona-se um material de teor mais baixo (para diluir); se estiver a menos, adiciona-se um material ou aditivo de teor mais alto.

Exemplo resolvido · correção por excesso de carbono

Um banho de 920 kg apresenta 3,55% C, acima do limite superior de 3,50% da norma. Corrigir para 3,40% C adicionando sucata de aço (0,20% C).

(920 × 3,55 + x × 0,20) / (920 + x) = 3,40
3266 + 0,20x = 3128 + 3,40x
138 = 3,20x
x ≈ 43,1 kg de sucata

Verificação: (3266 + 0,20×43,1) / 963,1 = 3274,6 / 963,1 ≈ 3,40% C. Confirmado. A correção só se dá por concluída depois de uma nova análise química confirmar o alvo: o processo termina quando o resultado é validado face à especificação, nunca antes.

12. Segurança, ambiente e qualidade no processo de fundição

Segurança e saúde no trabalho

• EPI obrigatório: viseira facial, avental e mangas aluminizadas, luvas de crosta, calçado com biqueira e polaina.
• Risco de projeção de metal líquido ao contacto com humidade, sucata fechada ou suja: nunca carregar sucata húmida ou tubos/latas fechados.
• Exposição a fumos e poeiras metálicas: proteção respiratória adequada ao forno em uso.
• Cumprimento das normas de segurança e saúde no trabalho em todas as fases: carga, fusão, vazamento.

Gestão de resíduos, ambiente e qualidade

• Normas de gestão de resíduos: destino correto para escórias, poeiras de filtragem e refratários usados.
• Normas de proteção ambiental: controlo de emissões atmosféricas do forno e tratamento de fumos.
• Normas da qualidade: procedimentos documentados, registos de cada colada, rastreabilidade da carga ao lote de matéria-prima.
• Registos: cada carga calculada, cada correção feita e cada resultado de análise fica documentado, em papel ou em folha de cálculo. Sem registo, uma correção bem-feita não gera aprendizagem para a colada seguinte, nem permite rastrear a origem de um defeito numa peça já em serviço.

Erros comuns

• Somar percentagens diretamente em vez de pesar pela massa de cada material no balanço de massa.
• Corrigir o elemento principal mexendo na base já calculada em vez de fazer uma adição específica, o que desfaz o cálculo anterior.
• Ignorar o rendimento de incorporação de uma ferro-liga, subestimando sistematicamente a massa a adicionar.
• Usar sempre o mesmo rendimento "de tabela" sem confirmar com o histórico real do forno da fundição.
• Aceitar sucata sem certificado só porque "parece boa", arriscando residuais indesejados na liga.
• Vazar sem nova análise depois de uma correção, sem confirmar que o alvo foi realmente atingido.
• Esquecer o rendimento metálico ao orçamentar, subestimando o custo real por kg de metal líquido.
• Relaxar o EPI junto ao forno "só por um instante": a causa mais comum de acidentes graves em fundição.

Glossário

• Carga metálica: conjunto de matérias-primas e aditivos introduzido no forno para produzir a liga pretendida.
• Gusa (ferro-gusa): lingote de primeira fusão rico em carbono, base típica das cargas de ferro fundido.
• Sucata de retorno (circulação): sucata gerada no próprio processo, de composição conhecida.
• Ferro-liga: liga de ferro rica num elemento (Si, Mn, Cr, Mo), usada para ajustar a composição da carga.
• Fundente: consumível que baixa a temperatura de fusão da escória.
• Escorificante: consumível que limpa e retém impurezas na escória.
• Balanço de massa: cálculo em que a massa de cada elemento na carga se conserva no metal produzido, salvo perdas.
• Regra da cruz (Pearson): método rápido para calcular proporções de dois materiais que atingem um alvo de composição.
• Rendimento metálico: fração da carga carregada que se transforma em metal líquido útil.
• Rendimento de incorporação: fração de um elemento de uma ferro-liga ou aditivo que fica efetivamente dissolvida no banho.
• Correção de carga: ajuste calculado ao banho já fundido, para aproximar a composição do alvo da norma.
• Certificado de composição química: documento com o resultado do ensaio laboratorial da composição de um lote.
• Norma de material: documento técnico que define os intervalos aceitáveis de composição de uma liga.

Síntese

Calcular a carga metálica segue sempre a mesma ordem: selecionar a liga e a tecnologia de fusão (norma como referência) → levantar consumíveis (matérias-primas, ferro-ligas, aditivos, fundentes, escorificantes, com certificado) → calcular o balanço de massa (fórmula geral, regra da cruz para o elemento principal) → ajustar elementos secundários com ferro-ligas, contando sempre com o rendimento de incorporação (que a temperatura afeta) → avaliar custos e rendimento metálico → corrigir a carga com base na análise química, se necessário → validar com nova análise, sob as normas de segurança, ambiente e qualidade. Domina este fluxo e és capaz de calcular a carga de qualquer liga metálica em fundição.

Exercícios resolvidos

1. Uma carga junta 600 kg de gusa a 4,4% C com 400 kg de sucata a 0,15% C. Qual é o %C final?

Resolução: %C = (600 × 4,4 + 400 × 0,15) / 1000 = (2640 + 60) / 1000 = 2,70% C.

2. Calcula, pela regra da cruz, a proporção de gusa (H = 4,4% C) e sucata (L = 0,15% C) para obter um alvo de 3,20% C, para uma carga de 800 kg.

Resolução: partes de gusa = 3,20 − 0,15 = 3,05; partes de sucata = 4,40 − 3,20 = 1,20; total = 4,25. % gusa = 3,05/4,25 = 71,8% → 574,1 kg; % sucata = 1,20/4,25 = 28,2% → 225,9 kg.

3. A carga do exercício anterior tem 0,90% Si e o alvo é 2,0% Si. Quantos kg de FeSi75 (75% Si, rendimento de 80%) são precisos, para 800 kg de carga?

Resolução: Si em falta = 2,0 − 0,90 = 1,10% de 800 kg = 8,8 kg de Si. Massa de FeSi75 = 8,8 / (0,75 × 0,80) = 8,8 / 0,60 ≈ 14,7 kg.

4. Um banho de 850 kg apresenta 0,45% Mn, abaixo do alvo de 0,60% Mn. Quantos kg de FeMn (78% Mn, rendimento de 90%) se devem adicionar?

Resolução: Mn em falta = 0,60 − 0,45 = 0,15% de 850 kg = 1,275 kg de Mn. Massa de FeMn = 1,275 / (0,78 × 0,90) = 1,275 / 0,702 ≈ 1,82 kg.

5. Uma fundição pagou 340 € por uma carga de 950 kg, com rendimento metálico de 90%. Qual é o custo por kg de metal líquido?

Resolução: metal líquido = 950 × 0,90 = 855 kg. Custo por kg = 340 / 855 ≈ 0,398 €/kg.

6. Um colega diz que "para corrigir o excesso de carbono, basta recalcular a proporção de gusa e sucata da carga inicial". O que lhe respondes?

Resolução: que isso não é possível: a carga já foi fundida e transformada em banho líquido. A correção certa é calcular a massa de adição (por exemplo, sucata de baixo carbono) que, misturada com o banho existente, dilui a composição até ao alvo, usando o balanço de massa com o banho como um dos "materiais".