O ano era 1914 e ambos os Rockwells eram funcionários da New Departure Mfg. Company of Bristol, Conn., fabricante de automóveis e rolamentos esféricos para automóveis. Como de costume, a mãe da invenção foi a necessidade de desenvolver um método melhor. O método Brinell era muito lento, ruim para pequenos raios, superfícies curvas ou aço temperado e também utilizava um grande perfurador que causava a destruição da amostra. Para aços temperados, o teste Scleroscope foi utilizável, mas bastante difícil. E uma terceira opção, o teste de arquivo, que não apresentava dados além de ir ou não ir.

Juntos, os Rockwells prosseguiram com um método de máquina de testes que pode medir a dureza pela aplicação de uma carga menor e outra maior. Eles solicitaram uma patente que levou quase cinco anos para ser aprovada. Até então, os dois homens tinham deixado a New Departure e seguiram caminhos diferentes. No entanto, Stanley Rockwell continuou a refinar o projeto e a se concentrar no tratamento térmico de metais. Ele apresentou o seu teste durante a Convenção de 1922, antecessora da ASM, Sociedade Americana de Tratamento de Aço, e o método de teste de dureza Rockwell ganhou aceitação em toda a indústria de metais e aço.

Dureza Rockwell

A eficiência e o alcance do processo Rockwell e seu refinamento em curso, desde a década de 20 até a era digital, tornaram o método mais amplamente preferido e utilizado para testes de dureza. A dureza é uma propriedade de material um tanto indefinida (e não deve ser confundida com temperabilidade, uma medida de potencial, ou tenacidade, que em metalurgia significa resistência a falhas sob impacto ou carga súbita).

Dada a existência de tantos metais com tanta variação de dureza e que o teste é tão crítico para vantagens de controle de qualidade de materiais de metal, a Rockwell tornou-se o método preferido para respostas de ensaios comerciais de dureza. Uma grande razão é que seus resultados de testes podem oferecer uma sensação de confiança sobre a resistência à cedência do material.

Outra razão é que o teste de dureza pode ajudar na comparação de diferenças de propriedades dos dois materiais. Uma dureza menor geralmente significa maior ductilidade e menor resistência à cedência mais o potencial de desgaste prematuro. Uma dureza superior equivale a mais fragilidade e resistência à cedência mais elevada.

De acordo com Daniel Herring, autor de Common Pitfalls in Hardness Testing, “os testes de dureza são, sem dúvida, o processo de controle de qualidade mais comum realizado na indústria”.

Eles são frequentemente utilizados para determinar o sucesso ou fracasso de uma operação de tratamento térmico especial ou para aceitar ou rejeitar o material. Testes de dureza são pensados para serem mais fáceis de executar no chão da fábrica ou no laboratório metalúrgico, mas se revelam uma das provas mais difíceis de fazer corretamente.

Herring identifica o método Rockwell como “utilizado para testes de materiais ferrosos e não ferrosos, os quais foram recozidos, endurecidos, temperados ou revestimentos endurecidos, materiais folhados em calibres mais pesados e carbonetos cimentados. O teste Rockwell Superficial é utilizado onde são necessárias cargas mais leves, como testes de superfícies finas de cementação, superfícies carburadas e material folhado em bitolas finas. Ensaios de microdureza são utilizados para formas intrincadas muito pequenas, peças finas e para determinar profundidade do revestimento”.

Nos testes Rockwell, a resistência do material a ser perfurado é avaliada por uma bola de aço ou um cone de diamante (o último é conhecido como penetrador Brale). Se o material é conhecido por ser excepcionalmente duro, é melhor utilizar o cone de diamante para garantir que a esfera de aço não seja deformada. A esfera de aço é preferida para todos os materiais macios (testes a menos que HRB-100). Como não há unidades de dureza, Rockwell atribui valores em uma série de escalas (30 no total). Em cada escala, quanto maior o número mais duro é o material

As escalas Rockwell mais comumente utilizadas são “C” e “B.” A escala B é utilizada para materiais mais macios (tais como alumínio, latão e aço mais suave).

Ela emprega uma bola de carboneto de tungsténio como penetrador e um peso de 100 kg para se obter um valor expresso como HRB. A escala C para materiais mais duros utiliza um cone de diamante e um peso de 150 kg para se obter um valor expresso como HRC. Há diversas escalas alternativas para outros fins. Consulte a ASTM E18 para determinar a escala de dureza Rockwell correta para o seu uso. A escala é tipicamente baseada na profundidade da camada e tamanho da amostra.

Dureza Rockwell Superficial

Um segundo teste de dureza Rockwell Superficial destina-se para uso com amostras finas, mais pequenas, mais delicadas ou sensíveis à superfície. Ele emprega cargas significativamente reduzidas. Por exemplo, em um teste Rockwell padrão, a carga menor é de 10 kgf e a maior é de 60, 100 ou 150 kgf. Em um teste Rockwell Superficial, a carga menor é de 3 kgf e a maior é de 15, 30 ou 45 kgf.

Existem numerosas aplicações que envolvem um amplo espectro de metais, onde são desejados números elevados de dureza. Por exemplo, o Instituto Americano de Ferro e Aço identifica cerca de 100 diferentes tipos de aços ferramentas. Mais frequentemente, diversos processos de tratamento térmico são empregados para aumentar a dureza global do metal, porque quase sempre é uma medida da performance do tratamento térmico. Os tratamentos térmicos mais típicos incluem: alívio de tensão, modificação relevante trabalhada a frio, desenvolvimento de propriedades físicas em ligas de solução sólidas, mudança na composição da superfície e desenvolvimento de características especiais.

É importante que as pessoas envolvidas no projeto da peça trabalhem em estreita colaboração com aquelas que realizam o tratamento térmico e os testes de dureza, a fim de minimizar trincas em diversos locais de tensão, tais como entalhes, cantos afiados e variâncias na espessura das seções. Excesso de resfriamento do material pode contribuir para fendas. Ao combinar um nível de dureza para a aplicação a que se destina, é importante manter em mente as faixas de temperatura. Você não quer uma temperatura que resulta em menor tenacidade do metal. A distorção é outro risco, por isso tenha sempre em mente as tolerâncias da usinagem. Finalmente, vale a pena especificar corretamente o alívio da tensão nos desenhos das peças.

Documentação de Dureza

Resultados mensuráveis e documentação verificável em cada passo crítico resultam em maior precisão na medição, melhoria da coleta de dados e melhoria do acompanhamento geral e controle do processo de teste de dureza. Os testadores de dureza Rockwell e Rockwell Superficial normalmente vêm com avançadas interfaces de controle digital para grande precisão e uma rápida apresentação de dados críticos. Quando a conversão entre diferentes tipos de escalas de dureza é crítica, o software de teste de dureza geralmente tem essa capacidade instalada. É facilmente gerada uma ampla gama de relatórios para fins de análises instantâneas ou comparativas em curso.

Conclusão

Stanley Rockwell e Hugh Rockwell estariam maravilhados ao ver como sua invenção original tornou-se uma tecnologia de controle de qualidade tão vital, especialmente para testar a dureza de metais tratados termicamente. Eles também poderiam se surpreender com quantas inovações ocorreram durante o melhoramento contínuo do processo Rockwell. Enquanto engenheiros de materiais continuarem buscando novas vantagens em propriedades e desempenho, a evolução dos testes Rockwell continuará ininterruptamente.

Para mais informações: Contate John Kraus, Gerente de Vendas dos E.U.A., Tinius Olsen; tel: +1 215-675-7100; TiniusOlsen.com; e-mail:jkraus@tiniusOlsen.com.

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O conceito principal do novo forno de fusão contínua é uma alteração do projeto das operações dos fornos de fusão por lote ou contínuos. Isto muda drasticamente as operações de trabalho para a fusão de metais não-ferrosos, fazendo com que as operações de fusão sejam mais eficientes em energia. O forno foi desenvolvido principalmente para pequenas e médias empresas de sucata, a fim de agregar valor ao metal sucateado, sendo capazes de vender o metal a preço de lingote. O forno é de tamanho compacto, e a altura da unidade foi desenvolvida para poder ser encaixado dentro de um edifício industrial padrão. A maioria dos fornos de hoje em dia é volumosa em tamanho, com extensa perdas de metal e energia.

Eficiência Energética

Os envolvidos em sucata querem um forno de fusão que seja simples de operar, seguro e eficiente em energia. Também deve ser pequeno em tamanho e atender a todos os regulamentos ambientais estaduais e federais.

As indústrias química e de processamento de alimentos já atualizaram suas operações em lote para operações contínuas. Eles foram levados pela necessidade de reduzir os custos operacionais e melhorar a eficiência. Uma das grandes economias resultantes do forno de fusão contínua é a redução do consumo de energia. Existem também benefícios adicionais de custo não vinculados à energia, tais como redução nos custos de ciclo de vida, o que será discutido mais tarde.

O forno de fusão contínua tem uma eficiência de energia mínima de 55% para o alumínio. O pré-aquecimento da sucata utilizando os gases de escape do forno pode aumentar a sua eficiência em até 70% (fornos de fusão tipo revérbero não são tão eficientes, pois a sucata não pode ser pré-aquecida). A sucata metálica colocada dentro do forno pode ser carregada manualmente ou por meio de uma empilhadeira com um funil auto carregador. O tamanho do material carregado pode ser de sucatas de até 0,9 metros de comprimento.

O forno é projetado para materiais sujos (por exemplo, alumínio com ferro) ou metais que sejam pintados. A sujeira irá subir ao topo da superfície do resíduo do fundido, e todo o ferro irá assentar no fundo do forno. A camada de sujeira, óxidos metálicos e impurezas (escória) que sobe para a superfície da parte restante do fundido fornece um isolador de calor para retardar o fluxo para a atmosfera. Isto ajuda a manter as perdas de energia da superfície a um mínimo. Os óxidos de metal, devido à oxidação da superfície fundida são insignificantes, e qualquer perda de metal, devido à formação de escória é pequena. Não há contaminação do metal vertido devido à sujeira e à formação de impurezas, uma vez que o metal fundido é retirado de baixo da superfície do banho em fusão.

Operação

O forno de fusão contínua é simples de operar, de tamanho reduzido e eficiente em operação. Ele é produzido com componentes internos projetados para alta temperatura e nenhum refratário é usado. O pequeno tamanho do forno proporciona uma rápida operação de aquecimento de partida. Após a fase de arranque, os componentes internos do forno são aquecidos apenas uma vez para o seu funcionamento contínuo.

Atualizar o forno para uma operação de fusão contínua é bastante simples. A principal alteração seria o tipo de transferência de calor utilizado para aquecer e fundir o metal de sucata. Existem três tipos diferentes de transferência de calor: condução, convecção e radiação.

Como um exemplo, o forno de revérbero utiliza a radiação e a condução para transferir o calor para o metal. Este tipo de operação é intensivo em energia com perda de calor através da parede, teto e portas refratários. Apenas uma pequena porção do tipo de radiação de transferência de calor está de fato disponível para fundir o metal de sucata. O forno de fusão contínua utiliza, por outro lado, apenas condução e convecção para transferir calor para o metal.

Procedimento

Para compreender o funcionamento do forno de fusão contínua, segue um procedimento de operação. A sucata metálica é carregada para dentro do forno a partir da sua lateral, enchendo o forno e a área superior a ele (funil de carga). Os queimadores de queima direta continuamente fundem a sucata. Os gases de escape que saem do forno pré-aquecem a sucata metálica no funil de carga. O forno tem um resíduo continuamente fundido entre o fundo do forno e o nível de impurezas. O metal fundido é retirado do forno entre esses dois níveis, sempre abaixo da superfície da camada de escória. O nível predeterminado do fundido é concebido para manter sempre uma temperatura constante. O metal fundido fluirá a partir do forno continuamente, por gravidade, desde que calor e sucata sejam fornecidos.

O peso da sucata no funil de carga acima do nível do metal fundido submerge o sólido na parte residual fundida, evitando que flutue na superfície do banho. A remoção contínua do metal fundido a partir do forno proporciona um movimento constante do resíduo fundido. O pequeno cadinho e o alto fluxo de metal fundido proporcionam boa transferência de calor para fundir o metal sólido submergido no resíduo fundido. Isto fornece um recurso de autorregularão. A temperatura do metal fundido permanece constante e supera a sua temperatura de vazamento de aproximadamente 760 °C para o alumínio. Dependendo da altura e da densidade da carga de material acima dos queimadores, a eficiência do forno será aumentada pelo pré-aquecimento do material frio, e eficiências de até 70% podem ser obtidas.

Flexibilidade

Com esta concepção, não há necessidade de inclinar e assim manter os fornos. O forno pode também ser utilizado para uma operação tipo lote, se necessário. O fluxo do metal fundido pode ser parado e iniciado novamente com segurança por um operador sem parar as demais operações. Isto elimina qualquer inatividade do forno sem reinícios frios.

O tamanho do forno de fusão contínua é classificado com base em toneladas de metal derretido por hora. Para o alumínio, os tamanhos dos fornos variam de um diâmetro de 1,2m para a fusão de 1,13 toneladas / hora até um diâmetro de 1,8m para a fusão de 2,7 toneladas / hora. Considerando a economia de energia, as menores perdas de metal e operações mais eficientes, o tempo de retorno do investimento para estas unidades é de menos de um ano. A forma do forno pode ser circular ou retangular. Os formatos retangulares produzem maiores taxas de fusão.

O Custo Total de Propriedade

O seguinte tópico de discussão é o custo do ciclo de vida associado ao forno. Estes são os benefícios não energéticos chamados de “custo total de propriedade”. Eles são utilizados para avaliar as melhorias em relação aos fornos existentes. Converter o processo de fusão a partir de um forno tipo lote para um forno de funcionamento contínuo proporciona um número de benefícios não energéticos. Eles incluem o seguinte:

1. Baixos custos iniciais de compra, de instalação e de comissionamento;2. Alta eficiência e bons rendimentos;3. Diminuição dos custos operacionais e de produção ;4. Redução dos custos de tempo de inatividade – sem tempo de inatividade para o carregamento e descarregamento do forno;5. Baixos custos de limpeza, de eliminação de resíduos e eliminação de escórias;6. Baixo custo de manutenção;7. Pequeno espaço ocupado;8. Redução da poluição atmosférica dos gases de escape e dos custos ambientais de conformidade ambiental;9. Aumento da produtividade;10. Melhor utilização da capacidade.

O pequeno tamanho do forno de fusão contínua traz um custo inicial de compra muito menor do que um de revérbero ou forno tipo pilha. Os custos de instalação e start-up também são baixos. Com uma ocupação de espaço menor, há uma grande melhoria na utilização da capacidade e maior eficiência energética por tonelada de metal fundido. Os gases de escape que saem do forno têm menores temperatura e volume. Se os gases de escape forem sujos, um filtro de ar é necessário para atender todas às normas ambientais estaduais e federais para controle de partículas.

Benefícios

A utilização do forno é aumentada em grande medida pelo seu funcionamento contínuo. Não há paralisação entre lotes para carregar e descarregar sucata de metal fundida proveniente do forno. Não há tempos de resfriamento ou de aquecimento entre lotes. Nenhuma energia adicional é necessária para pré-aquecer o forno cada vez que há uma operação em lote. Não há nenhum problema se a operação precisar ser interrompida por um curto período de tempo (por exemplo, 10 minutos). O cadinho (resíduo) tem capacidade para armazenar metal fundido adicional.

O tempo de limpeza entre os lotes é eliminado. As melhorias de produção crescentes são realizadas pela redução do tempo de limpeza e pela parte interna do forno ser aquecida apenas uma vez.

A limpeza da formação de escória é pequena por uma série de razões. A área da superfície do forno de fusão contínua é pequena comparada a um forno de revérbero. A pequena área de superfície e o funcionamento contínuo do forno reduzem a formação de escória e reduzem os custos de eliminação de resíduos. Existe mínima formação de óxidos de metais devido à oxidação na superfície fundida. O forno funciona como uma operação contínua em estado estacionário sem picos excessivos de temperatura para gerar escória adicional.

Os custos de manutenção do forno de fusão contínua são baixos. Não há portas ou aberturas, não existem problemas com revestimento refratário, não existem problemas de permeabilidade ao ar, sem problemas de correntes de ar no interior do forno, sem necessidade de reconstrução do refratário do forno e não existe formação de escória e metal fundido acumulado dentro do forno. Como a superfície interior do forno é muito lisa, o metal fundido não se adere. O uso de superfícies metal-metal permite drenar totalmente o forno, sem acumulação de metal sobre as superfícies internas. O forno foi projetado para drenar completamente sem necessidade de inclinação. A simplicidade de operação do forno e a sua concepção reduzem consideravelmente os custos de manutenção. Embora este tipo de forno tenha sido concebido para fundir metais de temperaturas mais baixas, a mesma ideia pode ser utilizada para a fusão de metais de temperaturas mais elevadas (por exemplo, aço).

Um Melhor Projeto de Forno

Não é possível operar quaisquer dos fornos de fusão disponíveis hoje em dia de uma forma eficiente.

O design dos fornos e a sua operação em lotes tem limitado a sua eficiência. Embora nunca tenha sido tentado antes, dependendo da concepção dos fornos de revérbero da atualidade, estes fornos poderiam ser modificados para serem mais eficientes usando os princípios do projeto dos novos fornos de fusão contínua. Haveria uma redução da formação de escória na superfície do metal fundido.

O efeito chaminé que gera pressão negativa no interior do forno seria eliminado, e a infiltração de ar frio dentro do forno seria uma coisa do passado. A eficiência do forno modificado aumentaria e a temperatura e o volume dos gases de escape seriam reduzidos. O forno modificado iria eliminar a necessidade de uma concepção de inclinação.

Conclusão

Muito tem sido escrito nos últimos anos sobre como melhorar a eficiência energética dos fornos de fusão existentes. A indústria tem procurado otimizar os projetos de fornos usados atualmente com pouco sucesso. Os fornos de fusão de hoje em dia têm limitações fundamentais devido ao seu tamanho, forma e operação. A mentalidade tem sido de melhorar gradativamente os projetos já existentes, em vez de começar do zero e desenvolver um novo tipo de forno de fusão. A indústria continua a utilizar tecnologias de fusão com baixas eficiências.

Tomei uma abordagem diferente para alcançar o forno com melhor eficiência energética até o momento. O forno de fusão contínua elimina os problemas principais associados aos fornos de fusão da atualidade. É menor em tamanho, com altura e espaço utilizado reduzidos, além de menor preço do que os fornos de pilha existentes. Os investimentos iniciais para os atuais fornos tipo lote são muito altos, dificultando o investimento em novas tecnologias. Com a sua eficiência energética e redução dos custos do ciclo de vida, o forno de fusão contínua tem um retorno sobre o investimento de menos de um ano.

A tecnologia e as inovações apresentadas neste artigo tem atualmente patente pendente.

Para mais informações, contate: John E. Tobolski, consultor de Reading, Pensilvânia, EUA; tel: +1 610-777-6989; e-mail: marjonlrl@aol.com.

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