IMPLEMENTAÇÃO DO FERRO-FÓSFORO NA PRODUÇÃO DE PEÇAS EM FERRO FUNDIDO

Transcrição

1 André Ramos Santos é técnico industrial do laboratório do Senai/Cetef, Auricélio José é técnico em fundição da Fundição Libaneza, Clóvis Antônio de Faria Souza, Edmundo Burgos Cruz e Lincoln César Piva são engenheiros da companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração. Denílson José do Carmo e Jean Chaves Araújo são engenheiros mecânicos, e Ioná Macedo Leonardo Machado e engenheiro metalúrgico, todos do Senai/Cetef Marcelino Corradi, de Itaúna (MG). Este trabalho foi apresentado no VI Seminário de Fundição da ABM, em São Paulo, em novembro de Reprodução autorizada pelos autores. IMPLEMENTAÇÃO DO FERRO-FÓSFORO NA PRODUÇÃO DE PEÇAS EM FERRO FUNDIDO O ferro-fósforo é um subproduto do ferro-nióbio produzido na Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração. Com o objetivo de avaliar a possibilidade de introduzir-lo no sistema de produção de peças fundidas da Fundição Libaneza, estudou-se a viabilidade de adicioná-lo numa panela de vazamento e como material de carga no forno cubilô, visando alternativas para a sua utilização. Resultado de trabalhos anteriores de pesquisa realizados no SENAI/Cetef de Itaúna (MG), em parceria com a Companhia Brasileira de Metalurgia e Mineração (CBMM), mostraram a viabilidade de utilização de ferro-fósforo (FeP) na produção de ferro fundido cinzento, adicionado em fornos a indução e cubilô desta entidade. Durante apresentação dos resultados destes trabalhos para técnicos e empresários de fundições, ficou evidenciada a necessidade de realização de testes nas próprias fundições, considerando as condições de trabalho de cada uma tipos de peças, comparação química, capacidade do forno, produção. Foram realizados testes para as condições de fusão da fundição Libaneza, cuja produção é destinada ao mercado de utensílios domésticos. Considera-se o presente trabalho uma complementação para o conhecimento e a divulgação do FeP no mercado de Fundição (1, 2, 3). O FeP subproduto do processo de produção do ferro-nióbio, é geralmente obtido em tamanhos de 0 mm a 100mm, cuja composição química é mostrada na tabela 1. Tabela 1 especificação do FeP produzido na CBMM. FeP Fe (%) P (%) S (%) C (%) Si (%) Pb (%) Nb (%) 85 min ,03 <0,5 <0,1 <100 ppm <1,5 As vantagens com relação ao uso do fósforo no ferro fundido, que justificaram a continuidade das pesquisas, são (1, 2, 3) : A técnica de análise térmica evidenciou a redução das temperaturas de liquidus e sólidus do ferro fundido, o que pode proporcionar ganhos no custo de fusão ao diminuir as temperaturas necessárias para as condições de vazamento. A diminuição do super-resfriamento sugerida na literatura para adições de fósforo ficou evidente com a eliminação das áreas de grafita tipo D e com a maior homogeneidade da estrutura.

2 Observou-se um teor de fósforo próximo de 0,6%, numa faixa de transição de propriedades; nos testes no forno cubilô (até 0,6% P), detectou-se o aumento da resistência à tração e a redução da resistência ao impacto. Obtiveram-se peças com dificuldade de preenchimento, sem defeito em condições críticas de temperatura e alimentação. A literatura indica que teores acima de 0,7% de fósforo (P) são prejudicais a algumas propriedades do ferro fundido, inclusive à fluidez que é reduzida a partir deste teor (4, 5). Visando avaliar o comprimento do FeP ao adiciona-lo em panelas de vazamento, faz-se uma analogia com os parâmetros conhecidos de adição de FeSi. O inoculante possui baixa densidade e, de modo geral, deve ser misturado rapidamente ao metal líquido a uma temperatura compreendida entre 1450 C e 1550 C. O tamanho dos grãos de um inoculante caria de 4 mm a 10 mm. A granulometria do inoculante influi sobre o bom funcionamento do processo. Pedaços grossos demais não se dissolvem completamente e grãos muito finos flutuam na superfície do banho e se oxidam antes de se dissolverem (6). Portanto, os parâmetros importantes a serem considerados ao adicionar FeP na panela são: Tamanho Temperatura Densidade Forma de adição. Ao modificar a composição de um utensílio doméstico é necessário se preocupar também com a migração de elementos para os alimentos. Estudos realizados por Quintaes, K. D e outros (7) mostram que não há a,migração de chumbo (metal pesado) nos utensílios domésticos. A migração de fósforo não foi estudada. Estudos específicos sobre a migração dos elementos de FeP, vantagens e desvantagens para a saúde, deverão ser realizados com instituições especializadas nesta área. Com o objetivo de implementar o FeP na empresa, as hipóteses levantadas foram: 1) O FeP da CBMM contém de 10% a 15% de P. Com este teor, a temperatura de liquidus de uma liga FeP está entre 1048 C e 1166 C, segundo o diagrama binário FeP (6). Um teste realizado na CBMM determinou o valor de 1250 C, que pode ser influenciado pela presença de outros elementos (nióbio, carbono, chumbo). Comparando com o FeSi 75%, cujo ponto de fusão é de aproximadamente 139 C, segundo o Grupo Rima (9), e que é adicionado, em pó, na panela, como inoculante para o ferro fundido, o FeP também pode ser adicionado na mesma maneira. Sua densidade é de aproximadamente 7 g/cm³, enquanto a densidade do FeSi 75% é de 3,27 g/cm³, o que favorece a adição de FeP. Já o FeSi tende a ficar na superfície do metal devido a sua baixa densidade, o que não deve ocorrer com o FeP. 2) Se o número de peças a ser produzido com a adição de FeP for relativamente pequeno, justificase a sua adição apenas em panelas, facilitando a separação do metal com este elemento e o controle das condições de vazamento, dispensando a sua introdução como material de carga no forno. 3) Para os tipos de peças produzidos atualmente na Fundição Libaneza (composição química e propriedades) será vantajosa a adição do FeP como material de carga no forno cubilô. Um teor de 0,% de P poderá ser especificado para todas as peças, com a vantagem de ser um material homogêneo.

3 Materiais e métodos. O trabalho caracterizou-se por duas etapas, relativas à adição de FeP na panela e na carga, descrita a seguir. Verificação da possibilidade de adição de FeP na panela. Primeiramente, foi realizado o acompanhamento de duas fusões na Fundição Libaneza: Durante o acompanhamento das temperaturas do metal na panela de transferência e nas de vazamento, obtiveram-se também amostras e peças para análises químicas e metalogafica. Definiram-se para os testes no SENAI/Cetef caçarolas e peças da linha de produção, as quais possuem espessuras menores (3,5 mm a 5 mm) em relação à maioria das outras peças. O diâmetro das caçarolas varia de 140 mm a 320 mm. A figura 1 mostra a placa modelo da caçarola tipo 22 (de 220 mm de diâmetro), utilizada para os este da primeira etapa. Fig. 1 Placa modelo da caçarola 22. Foram realizadas nove fusões no Sena/Cetef, utilizando forno a indução com cadinho com capacidade de 25 kg de ferro fundido, e com algumas condições temperatura do metal o forno, composição química e capacidade da panela de vazamento - semelhante as da Libaneza. Não foi feito tratamento de inoculação e trabalhou-se com uma liga-mãe elaborada para os testes. Três diferentes faixas granulométrica de FeP foram avaliadas: < 4mm, de 4 mm a 10 mm> 10 mm. A tabela 2 apresenta as características deste teste. Optou-se pela adição de FeP no jato de metal, considerando a viabilidade desta prática também na empresa. Análise de composição química e metalografica foram realizadas. Tabela 2 Teste no SENAI/Cetef. Teste Tamanho do FeP (mm) - < >10 < > Forma de adição - FeP adicionado no jato de metal líquido Temperatura 1450 C C Amostra Caçarola de 4,2 kg Caçarola, cp -: Sem FeP Cp: corpo-de-prova para tração (ASTM A48), dureza e impacto. A dissolução do FeP foi avaliada por meio do cálculo de rendimento, com base na composição química, Nas fusões 5, 6 e, reduziu-se a temperatura de retirada do metal do forno para a panela de vazamento, para verificar a dissolução do FeP e a temperatura mínima de vazamento das caçarolas.

4 Foram obtidos corpos-de-prova segundo ASTM A48, para verificar a resistência à tração ao impacto e a dureza, sendo comparados os resultados das ligas e sem a adição do FeP. Após a conclusão dos testes, foram realizados testes em três fusões da Fundição Libaneza, adicionando-se FeP no jato de metal da panela de Transferência para a de vazamento. Possibilidade de adição de FeP como material de carga no cubilô. Utilizou-se o material na faixa de tamanhos produzida pela CBMM, sem efetuar separação, a qual significaria em aumento de custo de processamento e, consequentemente, o aumento do preço do FeP. Sua adição foi feita gradativamente na produção de peças na Fundição Libaneza, da seguinte maneira: Teste 1 e 2: adição em 1/3 da carga total, ao final. Teste 3: adição em 2/3 da carga total da metade até o final da fusão, sendo a primeira parte com teor mais baixo de P em relação à segunda parte. Teste 4 adição em 100% da carga do inicio ao final da fusão. Foi feito o acompanhamento dos parâmetros de controle do processo (temperatura e vazão de ar), da composição química, das microestruturas e das propriedades (dureza e aspectos de acabamento das peças), avaliando-se a interferência do FeP no processo e nos produtos da Fundição Libaneza. Análise dos resultados. Resultados do acompanhamento das fusões na Fundição Libaneza. A empresa trabalha com uma panela maior, comumente denominada panelão, para recepção do metal da bica do forno cubilô e transferência para panelas de vazamento com capacidade de aproximadamente 25 kg, das quais são vazados geralmente de 1 a 5 moldes, dependendo do tamanho da peça. A figura 2 ilustra a transferência do metal. Fig. 2 Transferência do metal do panelão para a panela de vazamento. A quantidade de metal adicionada à panela de vazamento é de aproximadamente 20 kg. A matéria-prima geralmente utilizada pela fundição Libaneza é constituída por sucata de gusa, de retorno, FeMn e sucata de FeSi. Os valores de temperatura variaram de 1438 C (mínima) a 1458 C no panelão. A temperatura de vazamento mínima registrada foi de 1295 C o último molde de uma das panelas de vazamento,

5 localizado a cerca de 40 m do forno, vazado após 1,5 min de permanência do metal na panela de vazamento. Os resultados obtidos de análises químicas feitas por espectrometria óptica mostraram que o máximo de fósforo foi de 0,19% e o chumbo, de 0,008%. A manutenção do carbono equivalente (4,6 a 4,7) caracterizou o ferro fundido de composição hipereutética. Durante o processo, ocorrem variações significativas no teor de silício: de 2,4% a 2,9% na primeira fusão e de 2,6% a 3,1% na segunda. Esta variação se deve à sucata de silício que é introduzida na carga para aumentar o seu teor. A introdução de cargas no forno cubilô ocorre em camadas, o que pode provocar oscilações da composição química do metal. Além disso, o teor de silício na sucata pode ser variável, podendo também provocar essas oscilações. A estrutura das amostras das seis caçarolas é geralmente ferritica-perlitica, apresentando entre elas variações no teor destes constituintes, as quais, para o tipo de peça produzida, não consideradas críticas. Resultados de teste com adição de FeP na panela. SENAI/Cetef. Para as fusões no forno indução do Senai/Cetef, foi definida uma composição química intermediária às composições da Fundição Libaneza mostrada na tabela 1. No caso, a composição mostrada para o SENAI/Cetef é a liga-mãe. A tabela 2 apresenta os resultados dos ensaios mecânicos realizados em corpos-de-prova usinados de barras cilíndricas fundidas e vazadas com as caçarolas. Nota-se o amento da resistência à tração e da dureza com a adição de FeP, sem alterar a resistência ao impacto para teores de 0,7% de fósforo, confirmando os resultados obtidos em trabalhos anteriores. Não houve dificuldade de dissolução do FeP introduzido no jato de metal em nenhuma das faixas de tamanho testadas, decidindo-se, para os testes na Libaneza, trabalhar com a faixa intermediária (de 4 mm a 10 mm). O rendimento do P é de 100%, ao ser adicionado o jato de metal. Na tabela 3, são mostrados os teores de P e carbono equivalente das oito fusões realizadas no Senai/Cetef. A temperatura mínima de vazamento para as caçarolas foi de 1270 C, abaixo da qual surgem defeitos de não-preenchimento. Tabela 3 Composição química na Libaneza e da liga-mãe do SENAI/Cetef. Elementos C Si Mn P S Libaneza 3,64 3,85 2,47 3,05 0,27 0,43 0,10 0,43 0,05 0,097 Cetef 3,7 2,80 0,3 0,10 0,01 Fundição Libaneza. Os resultados obtidos com a adição do FeP e panelas de vazamento da linha de produção da Fundição Libaneza mostraram que: 1) Peças vazadas com temperaturas iguais ou abaixo d 1300 C apresentaram defeitos de nãopreenchimento, com e sem a adição do FeP. Estes defeitos podem estar relacionados a outras

6 causas (forma velocidade de vazamento, canal de descida, com efeito), uma vez que peças vazadas a temperaturas mais elevadas (1383 C) não foram preenchidas. 2) Observou-se também que geralmente a panela não está totalmente cheia e como há uma medida exata para as panelas, teores de fósforo acima do previsto (0,6%) foram obtidos (0,76 e 0,84 na fusão 2) ao adicionar FeP. Quando à microestrutura obtida, nota-se uma semelhança para as peças vazadas na mesma fusão. O teor de fósforo de 0,6% provoca um aumento de 3% nos cristais de eutético fosforoso na microestrutura. Assim como nos testes realizados no Senai/Cetef, não houve problemas quanto à dissolução do FeP na liga, mesmo para faixas granulométricas maiores, sendo uma vantagem significativa para adições em panelas. Porém, verificou-se também uma perda de temperatura rápida (100 C) com a adição d FeP sólido no metal liquido da panela, o que se torna uma desvantagem, principalmente para vazamentos em moldes mas distante do forno. Adição de FeP em 1/3 da carga. As temperaturas durante o intervalo de adição de FeP e em duas horas de acompanhamento variaram de 1458 C a 1487 C. O perfil de temperaturas no panelão, mostrado na figura 3, foi obtido deste o momento da adição do FeP até o final. Os intervalos de temperatura coincidem com a retirada de amostra para análise química. Fig. 3 Perfil de temperatura e teor d fósforo teste 1. Este estágio apresenta o comportamento do teor de fósforo em função do tempo, após o inicio da adição do FeP na carga. O teor de fósforo aumenta passados 10 minutos da adição da primeira carga de FeP. Após 25 minutos, tem-se o teor estimado de 0,6%. Os teres crescentes (amostras 2 a 4) e decrescentes (amostras 11 e 12) de fósforo eram esperados em razão do uso da panela de transferência. Porém, entre as amostra e 10, a estimativa era de um teor de fósforo de 0,6%. No forno cubilô, a variação de 0,1% pode ser considerada comum, devido à forma de alimentação e à mistura das cargas. A homogeneização é menor se comparada com processo de fusão em um forno à indução. Nota-se um teor baixo na amostra 7 e o aumento nas amostras e 9, levantando-se a hipótese de atraso da carga de FeP e o acúmulo nas seguintes, durante a descida dentro do forno.

7 Foi verificada uma variação do teor de silício durante a fusão, típica dessa operação na empresa. O carbono equivalente variou de 4,4 a 4,7. A microestrutura das peças permanece semelhante em quase toda a fusão, com acréscimo de cristais de eutético para teores de fósforo mais elevados. A proporção de FeP foi reduzida no segundo teste, estimando-se um acréscimo de 0,4% na carga contendo no máximo 0,2% deste elemento. Ocorreu um pequeno patamar em 0,3% de fósforo e, a seguir, um aumento para teores na faixa de 0,7%. O rendimento do fósforo é de 100%. Portanto, o acréscimo de 0,4% em uma carga contendo entre 0,1% a 0,2% é o máximo possível, em virtude das variações que podem ocorrer o forno cubilô. O ganho de dureza é mostrado na tabela 4. Segundo análise visual, realizada pelos funcionários da Fundição Libaneza, não foram observadas alterações durante o acabamento das peças. Tabela 4 Resultado de ensaios de tração, impacto e dureza. Identificação Resistência à tração (MPa) Impacto J/mm² Dureza (HB) Teor de fósforo Sem P 96,47 0, ,10% Sem P 109,84 0, ,10% Com P 127,08 0, ,73% Com P 123,61 0, ,73% Adição de FeP em 2/3% da carga. A variação do teor de fósforo durante a terceira fusão está mostrada no gráfico da figura 4. Esta fusão caracterizou-se pela adição de FeP em quantidades diferentes (3,25% em 1/3 ca carga e 3,55% no 1/3 final). Fig. 4 Perfil da temperatura e teor de fósforo terceiro teste. Observou-se uma variação de 0,45% a 0,65% de P com a adição de 3,25% de FeP na carga, porém, teores acima de 0,7% predominaram ao se adicionar maior quantidade de FeP (3,55%). Esta variação do fósforo durante a fusão limita o teor de FeP na carga.

8 Adição de FeP em 100% da carga. Este quarto teste foi realizado utilizando-se ferro-fósforo em toda a carga a ser fundida. A variação do teor de fósforo durante a fusão está mostrada no gráfico da figura 5. A vazão de oxigênio foi muito baixa, sem perdas de temperatura. Fig. 5 Perfil da temperatura e teor de fósforo durante a fusão, com adição de FeP em 100% da carga. Para esta fusão, o carbono equivalente foi mais baixo (4,3 a 4,5) e obtiveram-se teores de fósforo entre 0,4% e 0,7%, podendo-se trabalhar na faixa de teores que proporciona vantagens aos ferros fundidos (fluidez, resistência à tração e dureza) sem afetar a resistência ao impacto, ou seja, sem fragilizar o metal. Para todas as peças com teor de fósforo acima de 0,2%, observou-se na metalografia o teor mais elevado do eutético fosforoso. Tab. 5 Composição química dos ferros fundidos dos teses no SENAI/Cetef. Fusão F1* F2** F3** F4** F5** F6** F7** F8** F9* %P 0, ,66 0,62 0,63 0,65 0,65 0,61 0,11 %CE 4,67 4,65 4,67 4,66 4,69 4,71 4,72 4,63 4,63 * sem FeP, ** com FeP, carbono equivalente CE = %C + (%Si + %P)/3 Tabela 6 Dureza em frigideiras obtidas no segundo teste com adição de FeP na carga. Identificação Dureza Teor de fósforo Frigideira HB 0,64% Frigideira HB 0,16%

9 Conclusões. Para as condições estudadas, o FeP pode ser adicionado em panelas porque houve a dissolução e o rendimento de 100%. Conforme a hipótese levantada, a densidade e a temperatura de fusão do FeP contribuem para a sua dissolução no ferro fundido. A introdução do FeP no jato de metal líquido durante a transferência do metal para a panela provoca redução rápida da temperatura do metal. Para a adição do FeP na panela, com o objetivo de aumentar a fluidez, deve-se considerar esta redução de temperatura e avaliar se este efeito será compensatório, considerando que a temperatura é uma variável importante para o amento da fluidez. Os valores de temperatura e de carbono equivalente de cada empresa devem ser levados em consideração para a aplicação do FeP. O FeP pode ser adicionado na carga do forno cubilô da Libaneza por ter sido totalmente incorporado e não ter apresentado efeito negativo para os parâmetros de fusão e as propriedades das peças. Deve-se ressaltar que as variações dos teores de fósforo durante a fusão foram consideradas aceitáveis para este tipo de fusão, tendo sido menores em relação aos ferroligas adicionados (silício e manganês). A Fundição Libaneza trabalha atualmente com uma carga metálica, cujo teor máximo de fósforo é de 0,2%. Para o acréscimo de 0,4%, pode-se adicionar até 3,25% de FeP na carga. Sugerese adicionar o FeP como material de carga em fusões alternadas, garantindo-se que o teor de fósforo não será ultrapassado ao utilizar o retorno. Para as condições de temperatura da Fundição Libaneza, não há atualmente necessário de aumentar a fluidez. No entanto a redução do intervalo de solidificações pode trazer benefícios relativos a ganho energéticos dentro do forno cubilô. Sugere-s um acompanhamento futuro de balanço térmico do forno cubilô da Fundição Libaneza. A redução das espessuras de peças da fundição, cujas perspectivas de mercado são promissoras, poderá ser avaliada com o controle do carbono equivalente menor. BIBLIOGRAFIA. 1) Silva, Ana Paula et alli: Análise da viabilidade de produção de ferro fundido cinzento com alto teor em fósforo utilizando Fe-P produzido na CBMM. Relatório final. Itaúna. Jan ) Leonardo I. M. L et alli: Avaliação da viabilidade da utilização de Fe-P como material de carga no forno cubilô para produção de ferro fundido cinzento. Relatório final. Itaúna. Jan ) Carmo, D. J. et alli: Avaliação de parâmetros de produção e do fundido em forno a indução com a utilização do fósforo como elemento de liga em ferro fundido cinzento. Relatório final. Jan ) Finardi, Jorge; Guedes, Luiz Carlos: Fluidez de aços e ferros fundidos. Efeito da composição, temperatura de vazamento e desoxidação. Metalurgia, v. 40, nº 316. P , mar ) SENAI Departamento Regional de Minas Gerais: Ferros fundidos de grafita lamelar. Belo Horizonte. Vol p. il ) Senai Departamento Regional de Minas Gerais: Cubilô. Belo Horizonte. Vol p. il ) Quintaes, K. D.; Amay-Fartan, J., Tomazini, F. M.; Morgano, A. M.; Mantovani, M. B.: Migração de minerais de panelas brasileiras de aço inoxidável, ferro fundido e pedra-sabão (esteatito) para simulantes de alimentos. Mar ) Rupo Rima. Produtos de divisão de metalurgia. Catálogo ) Annual Handbook; Alloy Phase Diagram. Metal Park, v. 3 il.