FACULDADE DE TECNOLOGIA DE SOROCABAPROJETOS MÊCANICOS – NOTURNO

BRUNO LOPESDOUGLAS NOVAIS

EMERSON GERIOLILUCAS EDUARDORONEY EMERSON

FORNOS DE INDUÇÃO

SOROCABA, 04 DE 2011

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BRUNO LOPESDOUGLAS NOVAIS

EMERSON GERIOLILUCAS EDUARDORONEY EMERSON

FORNOS DE INDUÇÃO

SOROCABA, 04 DE 2011

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Trabalho de Processos de Produção sobre FORNOS DE INDUÇÃO, apresentado para obtenção de média no curso de Projetos Mecânicos da Faculdade de Tecnologia de Sorocaba, FATEC

1. Introdução

1.1. História

As primeiras experiências de utilização do príncipio elétrico de indução na fusão de metais foram feitas por Ferranti na Inglaterra em 1887 e em 1900 Kjellin construiu na Suécia o primeiro forno de fusão industrial para aço de 80 Kg de capacidadee 78 KW de Potência. Várias modalidades foram desde então estudadas por Rochling na Alemanha e General Electric nos Estados Unidos, baseados em fornos de núcleo de baixa frequência. Porém devido aos estudos da firma Ajax e o Dr. E.F. Northrup referentes aos princípios dos fenômenos indutivos aplicados a fornos sem núcleo, e os da General Electric visando o desenvolvimento de geradores de alta frequência, concluiu-se pela vantagem do forno sem núcleo de alta frequência, precursor do forno de indução moderno utilizado para fusão de aços ligados.

1.2. Leis de faraday e Lenz

Para se entender o funcionamento do forno de indução primeiramente deve-se entender a lei de Faraday-Lenz e o efeito Joule.

A lei de Faraday-Lenz enuncia que a força eletromotriz induzida num circuito elétrico é igual a variação do fluxo magnético conectado ao circuito. É importante notar que um campo magnético constante não dá origem ao fenômeno da indução. Por esta razão, não é possível colocar um magneto no interior de um solenoide e obter energia elétrica. É necessário que o magneto ou o solenóide movam-se, consumindo energia mecânica. Por esse motivo que um transformador só funciona com corrente alternada. A lei é de natureza relativística, portanto o seu efeito é resultado do movimento do circuito em relação ao campo magnético.

A contribuição fundamental de Heinrich Lenz foi a direção da força eletromotriz (o sinal negativo na fórmula). A corrente induzida no circuito é de fato gerada por um campo magnético, e a lei de Lenz afirma que o sentido da corrente é o oposto da variação do campo magnético que a gera.

Se o campo magnético concatenado ao circuito está diminuindo, o campo magnético gerado pela corrente induzida irá na mesma direção do campo original (se opõem a diminuição), se, pelo contrário, o campo magnético concatenado está aumentando, o campo magnético gerado irá em direção oposta ao original (se opõem ao aumento).

Esta última análise é compatível com o princípio da conservação de energia. Se o circuito é aberto e não há fluxo de corrente, não há dissipação de energia pelo efeito Joule.

Já o efeito Joule dita que quando uma corrente elétrica atravessa um material condutor, há produção de calor. Essa produção de calor é devida ao trabalho realizado para transportar as cargas através do material em determinado tempo.

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2. Desenvolvimento

2.1. Princípio de funcionamento

Em princípio o forno à indução é um transformador no qual o primário é constituído por uma bobina que é percorrida por uma corrente alternada e que induz um campo eletro-magnético alternado na carga de forno a qual constitue o secundário do transformador. Mantendo-se a resistividade da carga entre determinados limites, induz-se no metal potência elevada que aquece rapidamente a carga até a sua fusão.

 Sendo muito usado para fusão de materiais condutores, formam-se nestes materiais correntes de Foucault (correntes induzidas em massas metálicas) que produzem grande elevação de temperatura. Se os materiais forem magnéticos, haverá também o fenómeno da histerese, que contribui para o aumento de temperatura.

As cargas mais utilizadas nesse tipo de forno incluem sucata de aço, sucata de ferro fundido, retornos e ferro-silício e carbono.

Fornos de indução podem ser classificados em:

-fornos de indução com núcleo

-fornos de indução sem núcleo

2.2. Fornos de Indução com núcleo

Os fornos de indução com núcleo são hoje em dia preferidos para a fusão de metais não ferrosos, embora também se apliquem a fusão de ferros fundidos. Funcionam em frequência de linha e a bobina do forno é envolvida sobre um núcleo de aço laminado fechado do tipo utilizado em transformadores. O conjunto por sua vez é envolvido por uma camada refratária e disposto a se formar ao seu redor um canal de metal líquido após a fusão do banho do forno. O forno de indução com núcleo apresenta a vantagem de seu rendimento elevado de funcionamento, pois funciona com aproveitamento de 95% a 98% de energia alimentada. Contudo o seu maior inconveniente é necessitar a manutenção permanente de metal líquido no canal do forno, o que obriga á utilização contínua do forno – 24 horas por dia- ou caso contrário manter ligado durante as horas de não funciomento parte da energia para manter fundido o metal do canal. Este fato dificulta também a mudança do tipo de metal a ser fundido pois seria necessário para tanto o vasamento do metal () fim de substituí-lo pelo tipo a ser fundido, o que só pode ser feito com metal líquido fundido em algum forno auxiliar. No caso de solidificação acidental do metal do canal, há risco de não se poder reconstituir o circuito do mesmo , sendo então necessário muito trabalho para desmontar o refratário do fundo do forno e reconstituir o canal. Para se dar início a operação do forno ou para mudanças de tipo de metal, é preciso dispor de um forno auxiliar para fundir o metal necessário á formação do canal. Contudo, para fusão de ligas de cobre, zinco ou alumínio e mesmo para ferros fundidos de composição constante e em regime contínuo, fornos de indução com núcleo encontram grande aceitação.

Fornos de indução de baixa frequência com núcleo e canal líquido são construídos para capacidades diversas segundo o tipo de metal a fundir. Um fabricante oferece para fundição de bronzes e latões fornos desse tipo com capacidades variando entre 80 e 5000 Kg equipados para potências desde 12 a 375 KW sendo o consumo da ordem de 200 a 250 KWh/t para latões e 280 a 350 KWh/t para bronzes. Esses fornos quando utilizados para ligas leves tem as suas capacidades reduzidas a cerca de metade para potencias da mesma ordem de grandeza,

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variando o consumo de energia de 420 a 500 KWh/t segundo o tamanho do forno. Quando utilizados para ferro, as capacidades de fornos e as potencias utilizadas são da mesma ordem das ligas de cobre, porém o consumo de energia se eleva a 430 a 500 KWh/t. Com o aumento da potência utilizada pelo forno, aumenta-se a sua capacidade de fução em Kg/h. É o caso de fornos de outra fabricação destinados á fusão de ferro, cujo forno com capacidade util de 5000 Kg e potencia de 1200 KW(1600 KVA) consome 440 KWh/t para uma capacidade de fusão de cerca de 3 T/h ao passo que forno de igual capacidade alimentado com 450 KW produziria 900Kg/h a quantidade de metal líquido necessária para a formação do canal equivale a 15% a 30% da capacidade útil do forno.

Fig.1- Forno de indução com núcleo e canal

2.3. Fornos de indução sem núcleo

O forno de indução sem núcleo funciona também segundo o princípio de um transformador, porém desprovido do seu núcleo magnético. O primário do transformador é constituído de uma bobina em geral construída em tubo de cobre, de poucas espiras e que é percorrida pela corrente primária sendo refrigerada por água que circula através de tal forno e indica as linhas de forças eletro-magnéticas e as correntes de circulação do banho provocadas durante a fusão. O rendimento do forno de indução sem núcleo é inferior ao do forno com núcleo e varia entre 75% e 85% segundo a frequência utilizada e o metal a fundir.

Para uma melhor compreensão do princípio de funcionamento do forno, lembramos que segundo a lei de Joule a potência aplicada ao forno pode ser expressa pela relação:

onde V é a tensão aplicada ao primário do forno e R a resistência elétrica da carga.

Tratando-se de um fenômeno de indução, a tensão V é expressa pela fórmula:

onde é o fluxo do campo magnético indutor, N é o número de espiras da bobina pimária e

é a pulsação do campo que por sua vez é igual a sendo a frequência da corrente em ciclos por segundo ou Hertz (cps ou Hz).

Nos fornos de indução com núcleo, é elevado devido à alta permeabilidade do núcleo magnético construído em laminados de chapas siliciosas. Nos fornos sem o núcleo o fluxo

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sendo baixo é preciso aumentar a frequência para se manter elevada a potência aplicada ao forno. O campo eletro-magnético gera ainda um sistema de forças radiais F que provocam agitação do banho líquido no cadinho do forno. F é proporcional a potência aplicada e ao diâmetro do banho e varia invesamente com a frequência e resistividade do metal a ser fundido. É preciso, portanto escolher criteriosamente a frequência da corrente a ser aplicada ao forno em função do tipo do metal fundido, da capacidade de carga do forno e da potência a ser aplicada.

Fornos de indução sem núcleo são construídos para trabalhar em correntes de frequências variando desde 50 ou 60 Hz (frequência de linha) até 15 a 20.000 Hz pelo que oferecem excelente flexibilidade de aplicação a qualquer tipo de metal.

Em primeira aproximação, pode-se relacionar a frequência desejável apenas a capacidade do forno, recomendando-se para várias capacidades as seguintes frequências:

Capacidade do forno Frequência

Kg Hz

1 – 25 10.000

5 – 250 3.000

100 – 2000 1.000

1500 – 7000 180 (150)

4000 – 10000 60 (50)

Como vemos, há certa superposição quanto as frequências recomendadas e como os fornos de menor frequência custam mais barato, há geralmente tendências no sentido de se selecionar as freqüências mais baixas, mesmo em aplicações desfavoráveis. Esta tendencia se reflete principalmente pelo abuso no emprego indiscriminado de fornos de frequência de linha (50 – 60 Hz). O uso de frequências excessivamente baixas para aplicação específica resulta em dificuldades na operação do forno e no escorvamento da fusão, excesso de turbulencia com efeitos metalúrgicos desfavoráveis e desgaste excessivo de refratário (cuja vida pode ser reduzida a 1/3 da normal) A rigor a escolha da frequencia deve também levar em conta a potência a ser aplicada, ou melhor, a capacidade de fusão necessária (em Kg/h) havendo abacos que permitem determinar rapidamente o valor recomendado para determinada aplicação, exemplificando, um forno de 2500 Kg de capacidade poderia trabalhar em corrente de 60 Hz equipado com transformador de 500 KW para fundir ferro na razão de 1000 Kg/h ao passo forno da mesma capacidade em corrente de 960 hz poderia trabalhar com conversor de freqüência de 1000 Kw para uma capacidade de fusão de cerca de 2000Kg/h. Fornos de 50 ou 60 Hz são ligados diretamente a linha ou através de transformadores, sendo regulados por meio de taps de voltagem variada, afim de manter a potência necessária, apesar das variações de resistência elétrica da carga durante a fusão. Freqüências de 150 ou 180 Hz chamadas de freqüências triplas são obtidas pela ligação especial de transformadores sobre uma rede trifásica. Freqüências mais elevadas até 3000 ou 4200 Hz são obtidas com conversores de freqüências rotativos, sendo nessas instalações a regulagem da voltagem feita pelo sistema amplidyne segundo o princípio descrito para os fornos a arco. Freqüências da ordem de 10000 Hz são obtidas com osciladores de arco de mercúrio ou de válvulas termoionicas. O fator de potencia de um forno de indução sem núcleo sendo extremamente baixo, da ordem de 0,10 , é preciso fazer-se a compensação introduzindo no circuito capacitâncias em quantidade suficiente e cujo o valor possa ser variado no decorrer da operação do forno. Alem disto, é

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preciso equilibrar o forno monofásico sobre uma rede trifásica, o que requer no caso do forno de freqüência de linha um circuito compensador.

Fornos de indução sem núcleo encontram ampla aplicação tanto na fusão de metais não-ferrosos – ligas leves, ligas de cobre, metais preciosos – como na fusão de ferro fundido e aços de composições mais diversas. As temperaturas que podem ser alcançadas são limitadas exclusivamente pela resistência do refratário. Os refratários utilizados podem ser apizoados, básicos, ácidos ou neutros.

Normalmente a oxidação é relativamente baixa devido a pequena área exposta do banho em relação ao volume. A escoria que se forma é pouco reativa, em parte devido a sua baixa temperatura pois que é aquecida pela irradiação do banho. Oxidações do banho podem ser provocadas pela adição de minérios ou por injeção de oxigênio. O ajuste final da composição e a desoxidação do banho são facilmente conseguidos com ferro ligas adequados.

A ação de turbulência do banho proporcionadas pelas forças eletromagnéticas facilitam em muito a carburação de um banho tanto no tempo quanto no rendimento do carburante adicionado. Por outro lado torna-se necessário por vezes deixam decantam o banho antes do vazamento para permitir a separação de inclusões não metálicas arrastadas pela turbulência do banho.

Fig. 2- Forno de indução sem núcleo

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Fig. 3- Forno de indução sem núcleo

3. Conclusão

Chegamos à conclusão que o surgimento do forno de fundição por indução facilitou em muito o processo de fundição, pois além de possuir uma gama alta de materiais que possam ser fundidos utilizando o forno de indução sem núcleo, esse processo utiliza uma energia limpa que não resulta em emissão de gases que possam vir a prejudicar os operadores, outra vantagem é o alto rendimento que o forno de indução com núcleo possui o que, dependendo da demanda da empresa, compensa a sua desvantagem de ter que estar funcionando continuamente para manter o metal no canal do forno em estado líquido.

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4. Referências

http://rodrigominatto.files.wordpress.com/2010/01/fornos-para-fundicao-e-refratarios.pdf

Curso de Fundição; Associação Brasileira de Metais; Siegel, Miguel.

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