Forno Artesanal de Fundição

CENTRO ESTADUAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA PAULA SOUZA ETEC ANTÔNIO DE PÁDUA CARDOSO CURSO TÉCNICO EM MECÂNICA Forno Artesanal de Fundição Daniel Fernando Gianoni * Fabio Ubirajara A. Ferreira ** Ricardo Boldrin *** RESUMO O Curso Técnico em Mecânica da Etec Antônio de Pádua Cardoso, em Batatais, não possui um forno de fundição para a demonstração prática do processo produtivo de fundição. Como este processo necessita de um forno industrial, e também devido à complexidade envolvida no processo, além do alto custo para a sua aquisição, foi proposto a construção de um forno artesanal para a fundição de metais leves, principalmente alumínio, que tem temperatura de fusão de aproximadamente 700 ºC. Espera-se que o projeto resulte em melhorias para o Laboratório de Máquinas, resultando em melhorias das aulas de Tecnologia Mecânica, que poderão ser visualizadas na prática pelos alunos do curso. Palavras Chaves: Forno, Cadinho, Queimador e Alumínio 1- Introdução O Curso Técnico em Mecânica da Etec Antônio de Pádua Cardoso, em Batatais, não possui um forno de fundição para a demonstração prática do processo produtivo de fundição. Como este processo necessita de um forno industrial, e também devido à complexidade envolvida no processo, além do alto custo para a sua aquisição, foi *Técnico em Mecânica, na Etec Antônio de Pádua Cardoso dfgianoni@gmail.com ** Técnico em Mecânica, na Etec Antônio de Pádua Cardoso fabao.ferreira@yahoo.com.br *** Técnico em Mecânica, na Etec Antônio de Pádua Cardoso boldrinricardo@yahoo.com.br

2 proposto a construção de um forno artesanal para a fundição de metais leves, principalmente alumínio, que tem temperatura de fusão de aproximadamente 700 ºC. O grupo utilizou, como ponto de partida, um projeto já iniciado no 2º semestre de 2016. Pretende-se concluir o mesmo e desenvolver o protótipo, analisando os resultados obtidos e propondo melhorias. Uma preocupação do grupo refere-se a segurança do protótipo que será construído, visto que muitos alunos frequentam regularmente o Laboratório de Máquinas da escola e existem alguns riscos envolvidos durante o processo de fundição, como a formação de gases tóxicos. 1.1 - Objetivos * Objetivo geral: É a criação de um forno artesanal de fundição de alumínio, possibilitando uma aproximação entre a teoria e a prática, e contribuindo com a formação de alunos melhor preparados para o mercado de trabalho. * Objetivos específicos são: - Desenvolver um protótipo (forno) seguro, de baixo custo e de fácil operação; - Utilizar matéria-prima reciclável (alumínio), contribuindo com o tema sustentabilidade; - Demonstrar que o forno pode ser utilizado nas aulas de Tecnologia Mecânica. 2- Desenvolvimento A partir de um projeto de TCC iniciado em 2016, o grupo resolveu assumir e construir o protótipo de um forno artesanal de fundição para metais leves, para ser utilizado para demonstrar a prática de fundição de metais aos alunos do Curso Técnico em Mecânica da Etec Antônio de Pádua Cardoso. Do projeto anterior, revisou-se a quantidade de materiais definidos para a construção do protótipo, chegando à conclusão que o projeto era viável economicamente e seguro. A pesquisa bibliográfica abordou diversos tópicos, como o desenvolvimento de um artigo científico, a apresentação e formatação, de acordo com as Normas Técnicas da ABNT, conforme Belezia e Ramos, 2011. Segundo Faria, 2006, o processo de fundição, suas particularidades e vantagens foram consideradas no desenvolvimento deste projeto. Também foi estudado o cadinho, a matéria-prima utilizada na construção, capacidade de produção e métodos de manuseio e conservação, através

3 de uma publicação da Editora Senai, 2015. O queimador é um dos tópicos tratados devido à sua importância no processo de fusão do atual protótipo, cujos dados foram considerados a partir de Correia Junior, 2016. A NR-14 (Norma Regulamentadora) foi abordada, a partir da mesma fonte. Soares, 2000, coloca os parâmetros específicos para o cálculo de carga. Oliveira, 2013, determina as características para o bom funcionamento do forno e do cadinho. Moreira, 2017, especifica as condições de segurança no carregamento do cadinho. Finalmente, foi construído um protótipo funcional, para a demonstração da prática de fundição de metais leves, principalmente alumínio, na própria oficina da escola. 2.1 Revisão da literatura Belezia e Ramos (p.6, 2011) descreve a importância que a disciplina DTCC (Desenvolvimento do Trabalho de Conclusão de Curso), que deve sistematizar as competências previstas no perfil de conclusão do Curso Técnico, permitindo ao aluno um maior contato com o seu campo de atuação profissional, suas demandas, desafios e oportunidades. Sendo assim, foi realizada uma pesquisa dos conceitos relacionados ao tema e aproveitou-se a oportunidade para construir um protótipo funcional, que é um forno de fundição artesanal. Os tópicos a seguir estão organizados para um melhor entendimento do assunto. 2.1.1 - Fundição Fundição, de acordo com Faria, 2006, é um processo pelo qual os metais ou ligas metálicas em estado líquido (fundido) são vazados em um molde para a fabricação dos mais variados tipos de peças. Em muitos casos, a fundição é o processo mais simples e econômico de se produzir uma peça. A fundição pode dar origem a peças acabadas, já em seu formato final, ou não. Nesse caso, elas podem passar por processos de conformação mecânica (por exemplo, forja), ajustes dimensionais, soldagem ou usinagem (para peças que serão usinadas é comum deixar um sobremetal). Mas, de modo geral, as peças fundidas passam por processos de acabamento como corte de canais, usinagem, rebarbação,

4 e quando necessário, elas também podem passar por tratamento térmico para conferir maior resistência à peça. As vantagens das peças fundidas são: - Apresentar formas externas e internas, desde a mais simples até a mais complexa. - Apresentar dimensões limitadas somente pelas restrições das instalações onde serão produzidas. - São produzidas dentro de padrões variados de acabamento e tolerância dimensional (entre ± 0,2 e 0,6 mm). - Possibilita grande economia de peso, porque permite a obtenção de paredes com pequenas espessuras. As figuras 1 e 2 abaixo mostram o funcionamento do protótipo construído. Figura 1 Derretimento do alumínio utilizando o protótipo Figura 2 Metal derretido no protótipo sendo colocado no molde

5 2.1.2 - Forno a cadinho Utilizados em pequenos empreendimentos como fábricas de panelas de alumínio, laboratórios destinados a fundir ligas não-ferrosas de baixo ponto de fusão e em fundições de peças de reposição para indústria pesqueira artesanal, utilizados também na fundição de ligas não-ferrosas, como o alumínio. Para o problema de fusão em pequena escala, é uma solução simples e barata. As razões para a sua ampla utilização são a versatilidade em termos de produtividade, que varia apenas com a mudança do tamanho do cadinho, podendo fundir de pequenas a médias quantidades de produtos (SENAI, 2015). Cadinho também conhecido como crisol é um recipiente em forma de pote, normalmente com características refratárias, resistente a temperaturas elevadas, no qual são fundidos materiais a altas temperaturas. O cadinho pode ser fabricado em vários materiais, refratários ou não, de natureza metálica, como ferro, chumbo, platina ou titânio, ou então cerâmica, como carbeto de silício ou alumina, conforme indica a figura abaixo, que representa o cadinho utilizado neste projeto. Os de carbeto de silício suportam temperaturas da ordem de 2000 C, podendo assim ser utilizados para fundir ligas ferrosas e outras substâncias com elevada temperatura de fusão. A liga que será trabalhada em fundição influencia na escolha do material do cadinho, uma vez que podem ocorrer reações que geram gases, fazendo com que uma peça no estado solidificado fique porosa, tornando-se ineficaz. Figura 3 Cadinho que será utilizado na montagem do protótipo

6 2.1.3 - Queimador O queimador (maçarico) é um dispositivo que tem a finalidade de processar a queima de uma mistura, entre ar e combustível, numa câmara de combustão, como mostra a figura 4. Esse combustível pode ser líquido, sólido ou gasoso, e só ocorrerá uma boa combustão se forem atendidas condições adequadas. Sua função é fazer com que o oxidante e o combustível fiquem juntos o tempo necessário e com uma temperatura adequada para promover a reação de combustão, sendo que a maioria das reações de combustão acontece na fase gasosa. O contato eficiente depende do tempo, da temperatura e da turbulência. (CORREIA, 2016). Figura 4 - Queimador (GLP) 2.1.4 Funcionamento do Forno O interior de um forno de fundição deve ser perfeitamente circular, a fim de permitir uma distribuição uniforme de calor. No interior do revestimento refratário, será colocado o cadinho, comumente feito em carbeto de silício, no qual se deposita o material que se deseja fundir. Na base interna destes fornos encontra-se, exatamente

7 no centro, a base, onde assenta-se o cadinho. Os tijolos refratários devem ser mantidos bem ajustados na forma circular do forno, para que não produzam rachaduras ou formação de irregularidades. Na parte interna, pode haver, em primeira instância, perda de calor. Em um segundo momento, a incidência da chama com maior intensidade em determinados pontos do cadinho, pode causar a sua queima desigual, diminuindo consideravelmente a vida útil do cadinho. Logo acima da base refratária do forno, em sentido contrário à bica de descarga do material, situa-se, geralmente, o orifício de passagem da chama do queimador para o interior do forno, em posição tangencial. No queimador, usa-se ar comprimido e gás GLP (butano), que quando aceso, tem-se a chama circulando nas paredes internas do forno e externas do cadinho. A pressão do ar é ajustada por um controle manual. Ao iniciar a fusão, o forno deve ser operado em marcha de preaquecimento por cerca de 20 minutos, pois tal procedimento contribui para maior homogeneidade do conjunto, composto de forno, cadinho e carga metálica. Se o procedimento de fusão estiver sendo feito em fornos a gás, deve-se evitar o choque direto do queimador com o cadinho do forno, pois o contato pode acelerar o processo de desgaste desigual, diminuindo sua vida útil. (OLIVEIRA, 2013). 2.1.5 - Características para o bom funcionamento do cadinho Boa condutibilidade térmica, que garante eficiência na transmissão de calor. Refratariedade, que garante a resistência a altas temperaturas sem alterar suas características. Resistência ao choque térmico, para que o cadinho suporte as contínuas operações de aquecimento e resfriamentos que ocorrem nos processos de fundição. -- Resistência à oxidação, para reduzir o grau de oxidação dos componentes existentes na estrutura do cadinho. Resistência química, para que o cadinho suporte o ataque químico promovido pela escoria e pelos fluxos utilizados no processo. Resistência mecânica, para que o cadinho suporte golpes mecânicos ou um possível manuseio inadequado durante o processo. (OLIVEIRA, 2013).

8 2.1.6 - Segurança no Carregamento do Cadinho De acordo com um site especializado em fundição de alumínio, a carga do forno é responsável por grande parte da qualidade do metal fundido, e por seu aproveitamento. Nunca deve se colocar carga úmida no forno, pois podem ocorrer explosões. Além disso, a umidade causa oxidação do metal, e no caso do alumínio, também contribui com a formação de bolhas de gás nas peças. A carga deve ser compacta, ou seja, colocar uma latinha de alumínio dentro do forno, vai causar uma grande oxidação, devido a área de contato com o ar ao seu redor, então, haverá uma grande perda com escória "ou borra", e o tempo para fusão aumentará consideravelmente, causando gasto de energia desnecessário. No fim, não se aproveitará muita coisa. O correto é amassar bem a lata, e em caso de outros materiais, deixar com o mínimo possível de espaços vazios, isso serve para qualquer tipo de metal, em caso de tubos, é aconselhável amassá-los bem. (MOREIRA, 2017). 2.1.7 Cálculo de Carga Para se determinar um carregamento adequado à produção de uma dada Especificação, é preciso se conhecer: a faixa de teores admissíveis para o metal em questão; as matérias-primas: sua disponibilidade; o custo e a análise química - por amostragem - de cada matéria prima; o equipamento de fusão: rendimento de cada elemento introduzido decorrente do processo de fusão, rendimento esse que depende do equipamento e de particularidades de operação do mesmo. Assim, tem-se a seguinte fórmula: %E = Σ[ (%E(Ci)/ 100). (%Ci).ηE(Ci)], onde: %E = % do elemento E introduzido %E(Ci )= % do elemento E no componente de carga adicionado Ci % Ci= % do componente adicionado ηe(ci) = rendimento da incorporação do elemento químico E presente no componente Ci no banho metálico. (SOARES, 2000).

9 2.1.8 Normas de segurança De acordo com o Ministério do Trabalho Emprego (MTE), a norma de segurança a ser utilizada neste projeto é a Norma Regulamentadora 14 (NR14), que trata das condições de segurança em fornos: 14.1. Os fornos, para qualquer utilização, devem ser construídos solidamente, revestidos com material refratário, de forma que o calor radiante não ultrapasse os limites de tolerância estabelecidos pela Norma Regulamentadora - NR 15. 14.2. Os fornos devem ser instalados em locais adequados, oferecendo o máximo de segurança e conforto aos seus operadores. * 14.2.1. Os fornos devem ser instalados de forma a evitar acúmulo de gases nocivos e altas temperaturas. 14.3. Os fornos que utilizarem combustíveis gasosos ou líquidos devem ter sistemas de proteção para. (CORREIA, 2016). 2.1.9 - EPIs de segurança ROUPA PARA ALTAS TEMPERATURAS MÁSCARA LUVAS ÓCULOS DE SEGURANÇA BOTAS DE SEGURANÇA Figura 5 Equipamentos de proteção individual (EPI) necessários no processo de fundição

10 2.1.10 Custos envolvidos na construção do protótipo A tabela abaixo indica o custo envolvido na construção do protótipo, cujo valor foi rateado entre o grupo de alunos. Tabela 1 Outros materiais foram obtidos na própria escola e através de doações, sendo eles: chapas de aço forno, dobradiças, cantoneiras, tubo do maçarico, ferro ⅜, cadinho, pegador cadinho. 2.1.11 - Teste de eficácia Para a realização do teste preliminar foi executado um processo de fundição, tendo em vista que o sistema de fundição em um forno cadinho possui limitações em relação à temperatura, foram utilizadas sucatas de alumínio para realização do procedimento, já que o alumínio possui baixo ponto de fusão, cerca de 660 C. A figura abaixo ilustra a montagem do queimador junto ao forno antes de iniciar a queima da mistura ar-combustível (GLP). Os desenhos técnicos contidos no APÊNDICE mostram em detalhe a construção do protótipo.

11 Figura 6 - Montagem do queimador junto ao forno Após a montagem do queimador no forno, foi inserida a carga de alumínio no cadinho e vedou-se o forno com a tampa. A partir dessa etapa, foi dada a partida de funcionamento do queimador, para iniciar a combustão e criar a chama de aquecimento do metal, como mostrado na figura 7. Figura 7 - Sistema de Fundição em Funcionamento Durante a fusão do metal, a remessa de metal introduzida inicialmente no cadinho funde e reduz seu volume, deixando espaço livre e possibilitando a inserção de mais alumínio. A figura 8 ilustra a etapa descrita.

12 Figura 8 - Inserção do metal no cadinho Ao finalizar a fusão do metal, a tampa foi retirada e com o auxilio das tenazes foi feita a retirada do cadinho do forno, como mostra a figura 9. Figura 9 - Retirada do cadinho do forno Por fim, foi feito o vazamento do metal fundido sobre um molde, como mostrado na figura 10.

13 Figura 10 - Vazamento do Metal Seguem algumas imagens da construção do protótipo pelo grupo de alunos.

15 2.2 - Problemas encontrados e solucionados Na construção do protótipo, houve alguns problemas que foram devidamente solucionados: Ejetor de gás onde seria uma furação de 0,5 mm, fez-se uma furação de 5,0 mm, chegando à conclusão que deveria ficar com 1,0 mm; Entrada do maçarico não estava no ângulo correto; Pino da tampa não agüentou o peso vindo a entortar; A entrada de ar do maçarico não era o suficiente, o grupo desenvolveu a entrada de ar comprimido; Os pés estavam em linha reta onde não proporcionaria uma perfeita segurança (podendo vir a tombar).

16 2.3 - Sugestões para próximos TCC (melhorias e novos trabalhos) Podem ser feitas algumas melhorias como a colocação de um isolante térmico por fora evitando aquecimento, pode ser estudada uma adequação melhor a tampa com a abertura do furo superior. Outra sugestão é construir matrizes para estampagem de peças, por exemplo, uma matriz onde possa ser usinado o martelinho do 1º modulo. Sugere-se ainda que outros grupos façam a adequação do protótipo de acordo com a NR-14 e NR-15. 3 Conclusão Este projeto teve a finalidade de dar continuidade ao desenvolvimento de um forno artesanal a cadinho de baixo custo, alimentado por um queimador a gás, utilizando como matéria-prima o alumínio. Houve adequação em um projeto anterior, para atingir os objetivos propostos por este TCC, o tema foi exaustivamente pesquisado para que o protótipo fosse construído. Atualmente, o forno encontra-se em funcionamento no laboratório de Máquinas da Etec. Os resultados obtidos com o queimador, para gerar a chama no interior do forno, obtiveram-se resultados satisfatórios, sendo que a chama apresentou ótima circularidade, visto que isso é um fator essencial para que a distribuição de calor, no interior do forno, seja uniforme. Portanto a configuração da parede do forno se mostrou adequada ao processo. Além disso, durante o experimento, o revestimento refratário confeccionado com materiais de baixo custo manteve-se íntegro e resistiu razoavelmente à alta temperatura, portanto, o refratário proposto assegura proteção à estrutura externa metálica do forno, além de ser adequado isolante térmico. Diante dos dados e dos resultados obtidos, pode-se concluir que o forno proposto é uma boa alternativa para realizar processos de fundição em metais não ferrosos, demandando poucos recursos financeiros para sua execução e montagem. Bibliografia: Belezia, Eva Chow. Núcleo básico: planejamento e desenvolvimento do TCC / Eva ChowBelezia, Ivone Marchi Lainetti Ramos (autoras); - São Paulo: Fundação Padre Anchieta, 2011. (Coleção Técnica Interativa. Serie Núcleo Básico, v. 3)

17 CORREIA JUNIOR, Maurício Torres. Construção de forno cadinho de fundição para realização de práticas de processo de fabricação na Universidade Federal do Recôncavo da Bahia. 2016. 65 f. TCC (Graduação) - Curso de Ciências Exatas e Tecnológicas, Universidade Federal do Recôncavo da Bahia, Cruz das Almas, 2016. Cap. 5. Disponível em: <https://www.slideshare.net/mauriciotorres3914/tccfornocadinho>. Acesso em: 23 abr. 2017. EDITORA, Senai-sp (Ed.). Fundição artística: Metalmecânica - Metalurgia. São Paulo: SESI SENAI Editora, 2015.324 p. Disponível em: <https://books.google.com.br/books?id=f2kudaaaqbaj&dq=descri%c3%a7ao+de +um+forno+de+cadinho&hl=pt-br&source=gbs_navlinks_s>acesso em: 23 abr. 2017. FARIA, Caroline. Fundição. 2006. Disponível em: <http://www.infoescola.com/quimica/fundicao/>. Acesso em: 23 abr. 2017. MOREIRA, Eduardo. Dicas ao utilizar o forno para fundir alumínio / chumbo / estanho. Disponível em: <http://www.eduardomoreira.eng.br/metalurgia/dicas/dicas_aluminio.html>. Acesso em: 23 abr. 2017. OLIVEIRA, Bruno Ferraz de. Fundição. Belém: E-tec Brasil, 2013. 108 p. Disponível em: <http://estudio01.proj.ufsm.br/cadernos/ifpa/tecnico_metalurgica/fundicao.pdf>. Acesso em: 23 abr. 2017. SOARES, Gloria de Almeida. FUNDIÇÃO: Mercado, Processos e Metalurgia. Desconhecido: Desconhecido, 2000. 123 p. Disponível em: <http://www.metalmat.ufrj.br/wp-content/uploads/2012/05/fundiçãomercadoprocessos-e-metalurgia.pdf>. Acesso em: 23 abr. 2017.

18 APÊNDICES : SEGUE ANEXO DESENHOS TÉCNICOS.