8. PREPARO DAS AREIAS DE MOLDAGEM

Para que se tenha uma idia das dificuldades envolvidas no preparo das areias de moldagem, considere-se, por exemplo, a tarefa a ser cumprida por um misturador que deva preparar uma batelada de 500 kg de areia-base com 5% de bentonita (25 kg) e 3% de umidade (pouco menos de 17 litros).

A umidificao completa da argila exige a distribuio dos 17 litros de gua sobre os 25 kg de bentonita, que considerada como apresentando uma superfcie especfica de 40 m2/g, tem uma superfcie total de 1.000.000m2. Assim, a umidificao da bentonita corresponde a espalhar a gua sobre uma rea de 1km 1km (aproximadamente 200 campos de futebol). A pelcula de gua assim obtida teria uma espessura de 17010-10m ou 170 (comparar esse valor com o espaamento interplanar basal das montmorilonitas, cap. 5).

Simultaneamente, o misturador deve espalhar a argila umedecida sobre os gros de areia. Supondo-se para estes uma superfcie especfica de 120 cm2/g, a superfcie total de 6.000 m2. Sobre esta superfcie, o misturador deve depositar a argila umedecida na forma de um filme uniforme.

Imagine-se, agora, uma tarefa muitssimo mais fcil: a de pintar, por dentro e por fora, uma casa com 6 cmodos. A rea total a ser pintada pode ser estimada em cerca de 750 a 800m2 ou 1500 a 1600m2 supondo-se aplicao de duas demos de tinta. Esta, por sua vez, tem uma viscosidade muito mais baixa que a de uma pasta de bentonita com relao gua/argila de aproximadamente 0,70:1,00. Para esta ltima tarefa, descontados os tempos de paradas necessrias (para descanso, almoo, caf, cigarro etc.), um pintor e um ajudante gastam cerca de 30 horas (5 dias de 8 horas, com aproveitamento efetivo de uns 70%).

Para cobrir uma rea pelo menos 4 vezes maior de gros de areia, de maneira uniforme, com um material extremamente mais viscoso que a tinta (), mais a distribuio da gua sobre toda a superfcie da argila, concede-se ao misturador cerca de 5 minutos e, s vezes, muito menos que isso.

Ainda no foi construdo o misturador capaz de realizar esta faanha. Alguns misturadores de laboratrio especialmente preparados, reiterando inmeros ciclos de mistura, conseguem proporcionar uma disperso quase completa da gua e uma distribuio bastante homognea da argila umedecida na forma de filmes sobre os gros em cerca 30 horas.

bvio, portanto, que as misturas preparadas nas fundies esto bastante longe da perfeio em termos de aproveitamento efetivo das argilas.

A argila umedecida s ser totalmente aproveitada quando ela estiver distribuda na forma de filmes uniformes sobre todos os gros, de modo que qualquer ponto de contato gro a gro receba garantidamente sua quota, isto , que jamais ocorra contato direto entre os gros da areia base. O efeito obtido ser, ento a maximizao das propriedades aglomerantes e de compensao da expanso trmica dos gros de areia-base.

Quanto mais imperfeita a distribuio desses filmes, maiores so as possibilidades de se ter contatos gro a gro com filme de espessura insuficiente ou sem filme algum. Como o nmero de gros num molde de, digamos, 100 kg da ordem de 1010 (isto , 10 bilhes), qualquer possibilidade estatstica se torna uma certeza. Portanto, areias mal preparadas tero, certamente, menor resistncia a verde e menor capacidade de acomodao das expanses trmicas, alem de outros problemas (v. cap. 6).

() Na realidade, para as relaes gua/argila que prevalecem nas areias de moldagem usadas nas fundies, a massa de montmorilonita umedecida (isenta de areia) apresenta valores de resistncia trao entre 6 e 7 kgf/cm2, no se constituindo, portanto, numa pasta que possa ser facilmente repartida pelos gros.

65

8.1 - O trabalho executado pelo misturador

O termo misturador inadequado para designar o aparelho usado para preparar as areias aglomeradas com argila. O verbo misturar sugere to somente a disperso mtua de dois ou mais componentes de modo macroscopicamente homogneo; o resultado da ao de misturar - a mistura - deve conter cada um dos componentes iniciais em sua forma original.

Mas no isso o que se busca no preparo das areias de moldagem. necessrio, alm disso, que se consiga um posicionamento das molculas de gua sobre as superfcies das lamelas de argila passveis de adsorver gua e, ainda que essas lamelas umedecidas sejam posicionadas de modo uni forme sobre a superfcie dos gros de areia. Isso exige que os misturadores de areias de moldagem sejam capazes de atritar as partculas de argila entre os gros de areia, de modo a subdividi-las o mais possvel, expondo assim as suas superfcies interao com as molculas de gua. Esse atritamento permite, ainda, que cada gro transfira aos outros uma parcela da argila a ele aderida, de maneira a se ter, ao fim da operao, recobrimentos uniformes sobre os gros.

J se viu que esta tarefa extremamente difcil e que, mesmo misturadores especialmente preparados, operando sobre pequenas quantidades de material, s conseguem a disperso ideal atravs da reiterao de muitas operaes de mistura. Em outras palavras, os misturadores utilizados nas fundies tm uma eficincia que est bastante aqum do teoricamente possvel.

Existem vrios tipos bsicos de misturadores que, empregando diferentes solues mecnicas, perfazem essencialmente a mesma seqncia de operaes: galgas ou ms que comprimem pores de areia e ps que cisalham essa areia comprimida e a misturam com pores no comprimidas. Em certos tipos, o amassamento pelas galgas substitudo pelo impacto, a altas velocidades, de pores de areia arremessadas por um agitador rpido contra outras pores em repouso relativo.A avaliao

66

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 8.1 Alguns misturadores utilizados no preparo de areia verde: (a) misturador intensivo de galgas verticais; (b) misturador intensivo de galgas horizontais (Speedmullor), vista e corte; (c) Misturador intensivo contnuo de galgas verticais e (d) misturador intensivo a contra-corrente, vista interior e esquema de funcionamento.

da eficincia relativa dos vrios tipos existentes muito difcil pois, a rigor, no se pode levar em considerao apenas o tempo necessrio para alcanar a estabi1izao de certas propriedades (como a resistncia compresso a verde) ou mesmo o nvel final dessas propriedades. O consumo de energia e o seu aproveitamento efetivo, o espao ocupado, a variao de temperatura, os custos de operao (inclusive manuteno e depreciao) so alguns dos principais fatores a serem considerados. Infelizmente no se dispe de comparaes entre os diversos projetos, a no ser aquelas supridas pelos prprios fabricantes, que, por motivos bvios, devem ser apreciadas com o devido cuidado.

Uma possvel medida para a eficincia do misturador a potncia consumida por tonelada horria de areia preparada com determinadas propriedades. Este dado no pode ser obtido das informaes de catlogo sobre produo horria e potncia do motor (potncia disponvel).

Uma regra prtica que parece funcionar para a maioria dos tipos disponveis a seguinte: em fundies de peas pequenas, onde a areia de retorno contm a maior parte da umidade que tinha na moldagem, misturadores contnuos que consumam 1HP por tonelada horria de areia preparada satisfazem as necessidades; se a areia retorna seca (fundio de peas de maior porte), a potncia deve ser dobrada. Em se tratando de misturadores descontnuos (ou por bateladas) os tempos de parada para carga e descarga devem ser descontados no clculo da produo horria para que a regra seja vlida.

Deve-se ressaltar que essa regra no estabelece os nveis desejveis, mas simplesmente reflete as caractersticas mdias dos tipos de misturadores existentes. De qualquer forma a utilidade da regra limitada, pois ela pode ser verificada a posteriori, quando o misturador j tiver sido adquirido e instalado e estiver funcionando.

As figuras 8.1 (a) a (d) mostram alguns dos tipos de misturadores mais comuns. Os das figuras 8.1 (a), (b) e (d) so descontnuos e o da figura 8.1 (c) trabalha continuamente. Diversas fundies modernas esto optando por misturadores contnuos para alimentar suas mquinas de moldar automticas; desde que dotados de dosadores de slidos e de gua confiveis e de um dispositivo automtico para ava1iao e controle contnuos de moldabilidade ou de compactabilidade, os misturadores contnuos permitem uma grande produtividade (no h tempos mortos para carga e descarga) com qualidade uniforme.

8.2 - Conseqncias da mistura imperfeita. Argila latente

A mistura imperfeita pode decorrer de vrias causas. A mais comum delas, que tambm a mais difcil de corrigir, a existncia de capacidade insuficiente de preparo de areias na fundio. Infelizmente, a seleo do misturador , na maioria dos casos, baseada na simples confrontao de custos e capacidades declaradas de produo de areia preparada. Estas, quase invariavelmente, s so realmente obtidas com a utilizao de ciclos de mistura curtos demais. As conseqncias so muito srias, como se ver a seguir, e a nica medida corretiva cabvel, que um acrscimo na capacidade de preparo, nem sempre, vivel, devido a limitaes de espao ou de meios para transporte e distribuio de areia preparada.

Esta anemia congnita de que padece um grande nmero de fundies tem razes muito antigas, provavelmente no uso de areias naturais, bastante generalizado no passado, as quais exigiam pouco mais que uma simples disperso da umidade com o emprego de ciclos bastante curtos.

Se durante o preparo de uma areia de moldagem forem sendo retiradas amostras a intervalos regulares de tempo (digamos 15 segundos) para verificao da evoluo da resistncia compresso a verde, por exemplo, o resultado obtido ser semelhante ao da figura 8.2. Se a demanda de potncia (medida diretamente no motor eltrico de acionamento) fosse simultaneamente registrada em funo do tempo, a curva obtida teria o mesmo aspecto.

O tempo necessrio para que o patamar seja atingido depende das caractersticas da mistura que est sendo preparada e da eficincia com que as partes mecnicas do misturador conseguem utilizar a energia disponvel no motor para executar as transformaes indicadas em 8.1.

67

Esse tempo interpretado, em geral, como indicativo do ciclo timo de mistura para o misturador e para a composio de areia em questo.

Este um teste muito til, que deveria ser realizado nas fundies, para cada misturador empregado e para cada composio utilizada. importante ressaltar, entretanto, que o patamar atingido representa aproximadamente o limite da mquina (misturador) e no o mximo de propriedades que se pode conseguir com uma dada composio da areia de moldagem.

Em outras palavras, a constncia de propriedades da areia a partir de um certo tempo de mistura indica que a partir da, o misturador no mais capaz de melhorar a distribuio dos filmes de argila umedecida sobre os gros. Este raciocnio , na realidade, uma aproximao, pois pelo menos trs fenmenos podem estar ocorrendo simultaneamente medida que se estende o ciclo de mistura:

provavelmente, a partir de um certo tempo de mistura, equalizaao dos filmes de argila sobre os gros progride bastante lentamente;

a manuteno do material no misturador, associada a uma certa gerao de calor, devida aos diversos atritos no material e em partes mecnicas, favorece a evaporao de umidade, o que resultaria tambm em aumento da resistncia a verde;

o aumento de temperatura tende a mascarar os fenmenos acima, de modo que as propriedades medidas permanecem constantes.

Para fins prticos, portanto, no h grande utilidade em se ultrapassar o tempo correspondente obteno de constncia de propriedades. Nessas condies, a mistura no atingiu a perfeio terica, sendo que parte da argila presente realmente atuante, enquanto a restante no participa da aglomerao ou do comportamento a quente do molde. A esta parcela de argila apenas potencialmente ativa, d-se o nome de argila latente. A parcela efetivamente participante denominada argila efetiva.

A relao entre esta ltima e a argila ativa total daria uma medida da eficincia do processo de mistura.

Em fundies que operem com reaproveitamento da areia usada, observa-se normalmente uma melhora geral de propriedades na areia recirculante medida que aumenta o numero de ciclos de reutilizao (desde que, claro, um mnimo de cuidados seja observado no processamento).

Esta melhora de propriedades em relao a uma areia de moldagem totalmente nova tanto mais acentuada quanto maior for a relao areia/metal fundido. Nessas condies, a quantidade de argila nova que deve ser adicionada ao sistema para repor a parcela termicamente inativada pequena, de modo que a maior parte da argila vai sendo submetida a sucessivas reiteraes de ciclos de mistura. O resultado a sua distribuio na forma de filmes cada vez mais homogneos sobre os gros de areia, o que eqivale dizer, o aumento da parcela de argila efetiva.

A existncia de argila latente na areia de moldagem indica, antes de mais nada, um consumo de argila superior ao necessrio. Mas esse no o problema principal.

Elevadas propores de argila latente tendem a acentuar problemas vrios, como:

secagem rpida da areia moldada e, principalmente, friabilidade em arestas dos moldes. Este fenmeno devido menos perda de gua para o ambiente do que redistribuio da umidade no prprio molde; a argila latente, que provavelmente no recebeu sua cota

68

potnciainstantnea

ouRCV

tempo de mistura

Misturador de laboratrio

Misturador de produo

Fig. 8.2 Curvas qualitativas de evoluo de uma propriedade (RCV) e da potncia absorvida durante o preparo da areia verde em dois misturadores (um de laboratrio e outro de produo).

de umidade durante o processo de mistura, age como esponja, roubando umidade da argila efetiva vizinha.

movimentao das paredes do molde e reduo da estabilidade trmica em geral. Estes fenmenos so, na realidade, decorrentes da insuficincia de argila efetivamente atuante nos pontos de contato gro a gro.

dificuldades na desmoldagem, como resultado do excesso de argila total.

maior tendncia a oolitizao, isto , formao de gros recobertos por camada aderente de argila calcinada e finos. A formao de gros oolticos tanto mais intensa quanto maior a quantidade de argila ativa total. O excesso de oo1itizao reduz a refratariedade da areia ao mesmo tempo que favorece o aparecimento de rugosidade nas peas devido a alta umidade que fica concentrada nos envoltrios porosos de argila inerte.

Operando-se com tempos de misturas ao menos prximos aos necessrios para a obteno de constncia de propriedades, a ocorrncia de problemas devidos a excesso de argila latente bastante improvvel, a no ser que se descuide da regulagem, manuteno e lubrificao dos misturado res. Assim, se problemas como os descritos acima ocorrerem esporadicamente, o estado do misturador , sem dvida, dos pontos a verificar.

8.3 - Ordem de adio dos constituintes ao misturador

Durante muitos anos perdurou nas fundies a prtica de misturar primeiramente os constituintes a seco, para depois adicionar a gua. Quando a composio que est sendo preparada constituda principalmente por areia de retorno, esta inicialmente colocada no misturador em movi mento. Se essa areia estiver mida, a ordem das adies que se seguem ter influncia no resultado final. A ordem das adies torna-se particularmente importante quando a areia estiver seca no momento que chega ao misturador.

Nessas condies, a prtica de mistura dos constituintes secos para posterior adio de gua pode conduzir a problemas srios e deve ser evitada.

Em primeiro lugar, a mistura a seco de constituintes granulares e ps finos no estvel, havendo grande tendncia segregao de finos para o fundo. Trata-se, portanto, de um desperdcio de tempo e energia, j que no se consegue homogeneidade, alm de que o desenvolvimento das propriedades aglomerantes da argila s iniciado quando a argila umedecida. Em vista dos ciclos de mistura extremamente curtos comumente adotados, qualquer desperdcio de tempo pode ter grande importncia para a qualidade final da mistura.

Alm disso, a segregao dos constituintes finos para o fundo do misturador tende a causar a formao de uma estria no canto do misturador, formada essencialmente por argila, finos de areia e outros aditivos (como p de carvo ou amido, por exemplo). Quando a gua introduzida no misturador, a estria de finos se umedece, transformando-se numa lama. Caso a estria de lama no seja arrastada e deslocada pela areia assim que esta desenvolva uma certa consistncia, ela s sair dali por ocasio da descarga do misturador. A areia de moldagem conter, ento, pelotas com altos teores de argila, aditivos orgnicos e gua, que so surtos potenciais de bolhas de gs nas peas. Mas o ciclo dessas pelotas no termina ai: uma vez secas, aps o vazamento e a desmoldagem, elas continuam presentes no sistema de areias, agora com resistncia suficiente para manter sua identidade e continuar causando problemas (gases e incluses tipo escria).

Tanto o desperdcio de tempo como os demais problemas relatados sero eliminados se a areia entrar mida no misturador ou ser umedecida antes que a argila e demais constituintes pulverulentos sejam introduzidos.

As vantagens do umedecimento prvio da areia parecem ser maiores do que simplesmente evitar esses

69

problemas. Alguns estudos indicam que essa ordem de adies, principalmente se a gua introduzida inicialmente for apenas uma frao da umidade final, permite uma subdiviso mais rpida das partculas de argila e, consequentemente, maior aproveitamento da argila. Aparentemente, a pelcula fina de gua formada sobre os gros serve para posicionar as partculas de argila nas superfcies destes, expondo-as de forma mais efetiva ao atrito com outros gros.

Como efeito adicional, a evoluo de poeiras junto ao misturador diminuda, fato especialmente apreciado pelo operador.

A ordem de introduo dos constituintes no misturador deve ser, portanto, a seguinte:

1. com o misturador em movimento, introduz-se a areia de retorno e a areia nova;

2. imediatamente adiciona-se parte da gua;

3. aps um pequeno perodo, suficiente apenas para que a gua se disperse pela areia, adicionam-se a argila e outros aditivos pulverulentos;

4. o restante da gua, para ajuste da umidade, adicionado um pouco depois.

A mistura da areia de moldagem freqentemente descrita na literatura como sendo um ingrediente, to importante quanto a areia-base, a argila e os aditivos. A execuo descuidada dessa operao (fato no incomum) trar, certamente, como conseqncia, uma srie de problemas que muitas vezes podem ser confundidos com aqueles causados por insuficincia de argila e/ou aditivos. J se viu que mau aproveitamento pode ser pior que insuficincia quando a argila latente e as pelotas de argila e finos (que no passam de formas exageradas de argila latente) ultrapassam nveis crticos. Nesse caso, persistindo-se com operao inadequada e tempo insuficiente de mistura, qualquer acrscimo nas adies, para suprir supostas deficincias, s pode agravar a situao. De fato, se a eficincia do processo de mistura no alterada, maiores adies produzem maiores quantidades de argila latente e pelotas de finos.

As consideraes feitas at aqui neste captulo no tero sido em vo se tiverem despertado ateno para a importncia da operao de mistura na determinao da qualidade da areia de moldagem e, consequentemente, da qualidade das peas fundidas. O misturador , portanto, uma pea crtica na operao de uma fundio e como tal deve ser considerado. Infelizmente, essa no a atitude observada em todas as fundies e no so raros os casos de misturadores em funcionamento cujas ps j foram totalmente desgastadas ou cujas rodas no giram por falta de lubrificao, para mencionar apenas os casos extremos. Descuidos muito menores que esses j conduzem a redues inaceitveis da eficincia de mistura.

8.4 - Aerao da mistura preparada

A qualquer momento de seu ciclo de processamento no misturador, a areia de moldagem tem uma parte que est compactada pela ao das galgas e uma outra parte que est revolvida e desagregada pelas ps. E nesse estado que a areia descarregada do misturador: com grumos bastante compactos. Caso essa areia seja usada diretamente na moldagem, o acabamento superficial do molde (e da pea) resultara excessivamente rugoso. Mas, se a areia for forada a passar por uma peneira, antes da moldagem, os grumos sero desfeitos, a compactao ser mais fcil e uniforme e o acabamento superficial ser melhor.

Como o peneiramento da areia preparada uma operao demorada que reduz a produtividade na moldagem, a soluo ideal aerao com um aerador ou desintegrador mecnico. Dentre os vrios tipos de aeradores existentes, talvez os mais comuns sejam aqueles em que a areia arremessada a alta velocidade contra algum tipo de obstruo (por exemplo, um pente metlico ou uma srie deles).

Onde posicionar o aerador uma deciso importante. A posio que, pela sua simplicidade, usualmente adotada, na descarga do misturador. Infelizmente, essa tambm a posio em que o aerador menos eficiente, ao menos em fundies dotadas de transportadores de areia e silos sobre as

70

mquinas de moldar. Durante o transporte por correias ou no enchimento dos silos, a areia sofre quedas de alturas variveis que tendem a reagreg-la; o armazenamento em silos muito profundos tem o mesmo efeito.

Um aerador colocado antes de cada mquina de moldar seria certamente, a soluo ideal, mas esta no adotada na maioria dos casos. Este posicionamento do aerador s encontrado, via de regra, nas modernas insta1aes de moldagem automticas, onde um pequeno nmero de mquinas de moldar (s vezes uma s) encarregam-se de toda a produo de moldes.

8.5 - Recirculao da areia usada

Existem algumas fundies que descartam toda a areia resultante da desmoldagem e, portanto, empregam misturas totalmente novas para cada molde produzido. Essas fundies constituem, felizmente, a exceo e no a regra, embora elas no sejam um fenmeno raro dentre aquelas que empregam ligantes no argilosos em suas areias de moldagem.

Para a reuti1izao das areias j usadas em qualquer tipo de fundio contribuem fortes razoes econmicas, de modo particular, os altos custos de transporte de areia-base nova desde seus depsitos naturais at as fundies e das areias usadas para algum local conveniente. No caso de areias aglomeradas com argilas, s razoes econmicas somam-se as razes tcnicas: no seria inteligente jogar fora um material com qualidades to boas ou melhores que o original e ainda pagar duplamente por isso.

Diante das despesas dirias em que se incorreria para rejeitar o material de moldagem usado e substituir por materiais novos, os custos de manuteno e controle de um sistema de recirculao de areias constituem-se, sem dvida, num investimento que paga altos dividendos.

a) Variaes de composio num sistema de areia recirculante

Quando metal lquido vazado num molde constitu do de areia, argila, gua e aditivos, o calor dissipado atravs do molde provoca seu aquecimento a temperaturas suficientemente altas para causar a degradao da argila e dos aditivos.

O molde no , entretanto, uniformemente aquecido a altas temperaturas: a figura 8.3 mostra, por exemplo, as variaes de temperatura, a diversas distncias da interface metal-molde, no caso de um cilindro com 6,5cm de dimetro, de ferro fundido hipoeuttico, vazado a 1454C em molde de areia verde.

Nesse caso, as temperaturas mximas alcanadas em funo da distncia da interface metal-molde, podem ser representadas pelo grfico da figura 8.4. Conhecidas as temperaturas em que ocorre a degradao da argila empregada, por exemplo, possvel calcular a massa de areia junto interface que, aps o vazamento ter toda a sua argila contida termicamente desativada.

71

Fig. 8.3 Temperaturas registradas no molde a diversas distncias da interface metal-molde; ferro fundido vazado a 1454C em molde de areia verde.

Fig. 8.4 Temperaturas mximas alcanadas no molde em funo da distncia da interface (picos da figura 8.3).

Supondo, por exemplo, que a argila aglomerante seja uma montmorilonita ativada que se torne inerte a partir dos 500C, a quantidade de areia afetada seria:

mp dL

DD

4)( 22500pi

onde:

D500 = dimetro da regio onde as temperaturas mximas so iguais ou superiores a 500C;

Dp = dimetro da pea fundida;

L = comprimento da pea fundida e

dm = densidade do molde.

No caso em questo, supondo dm = 1,68 g/cm3, a massa de areia afetada de, aproximadamente, 62,1 L gramas. Adotando-se para o metal a densidade de 7,2g/cm3, a massa da pea 238,9 L gramas e a relao de massas fica:

R = (areia afetada)/(metal fundido) = (62,1L)/(238,9L) 0,26

Isto significa que para cada tonelada de metal (ferro) fundido, 260 kg de areia sero aquecidos a temperaturas iguais ou superiores a 500C e a argila a contida se tornar permanentemente inerte.

J se verificou que a forma das peas tem uma influncia desprezvel nas temperaturas mximas alcanadas no molde, embora seja o fator determinante da velocidade de transferncia do calor do metal para o molde e, portanto, do tempo de solidificao (). De fato, as temperaturas alcanadas no molde dependem essencialmente da quantidade de calor a ele transferido pelo metal fundido; esta quantidade de calor funo da quantidade de metal vazado, de sua capacidade trmica, do grau de superaquecimento e do calor latente de solidificao segundo a expresso:

Q = m [cL (TV - TL) + C + cS (TL - TA)]

onde:

m = massa de metal vazado (kg)

cL = calor especfico do metal lquido (kcal/kgC)

cS = calor especfico do metal slido (kcal/kgC)

C = calor latente de solidificao (kcal/kg)

TV = temperatura de vazamento (C)

TL = temperatura liquidus (C) e

TA = temperatura ambiente (C)

Para efeitos prticos possvel relacionar o tipo e a quantidade de metal vazado quantidade de areia que aquecida acima de determinada temperatura crtica e, portanto, quantidade de argila e/ou aditivos inutilizados pelo calor, bastando conhecer-se a porcentagem de argila ou outros componentes ativos na areia, conforme se comprovou atravs de determinaes experimentais e levantamentos de dados em expressivo nmero de fundies americanas.

conveniente ressaltar que os mencionados levantamentos de dados no detectaram grandes variaes para a relao entre quantidade de bentonita tornada inerte e quantidade de metal fundido nas diversas fundies, o que indica que o tempo decorrido entre o vazamento e a desmoldagem tambm exerce pouca influncia, ao menos para peas com espessuras at 8 cm aproximadamente.

possvel generalizar o raciocnio acima de modo a abranger qualquer argila ou aditivo, desde que se

() A correlao entre o tempo de solidificao e as caractersticas da peca fundida expressa, com boa aproximao, pela regra de Chvorinov. Esta regra diz que o tempo de solidificao diretamente proporcional a (V/A) onde V o volume da pea e A a rea de sua superfcie.

72

conhea a temperatura T a partir da qual ocorre sua degradao trmica. A partir dos dados das figuras 8.3 e 8.4 tem-se que as relaes R entre a massa de areia aquecida acima de TC e a massa de ferro fundido vazado sero os indicados na primeira coluna da tabela 8.I.

Multiplicando-se R pela porcentagem da argila ou aditivo considerado na areia e, dividindo-se por 100, obtm-se a quantidade (kg) desse material que tornado inerte ou destrudo, para cada quilograma de metal fundido.

A ttulo de exemplo, suponha-se que uma areia deva trabalhar com 3% de p de carvo e 7% bentonita clcica ativos; imagine-se, ainda, que as condies de operao so tais que a areia do sistema diluda com areia proveniente de machos, razo de 180 kg/tonelada. Quais sero as adies de p de carvo e de bentonita clcica necessrias para se manter os teores de materiais ativos, se as respectivas temperaturas de degradao trmica so 600 e 400C ?

Para o p de carvo (T = 600C), R = 0,210; a quantidade a ser adicionada :

para compensar a perda por degradao:1000 (0,210 3) / 100 = 6,3 kg/t

para compensar a di1uio:(180 3)/100 = 5,4 kg/t,

totalizando6,3 + 5,4 = 11,7 kg de p de carvo por t de ferro fundido vazado.

Para a bentonita (T = 400C), as quantidades a serem adicionadas sero:

para compensar a perda por degradao:1000 (0,410 7) = 28,7 kg/t

para compensar a di1uio:(180 7) / 100 = 12,6 kg/t (di1uio)

totalizando41,3 kg de bentonita clcica por t de ferro fundido vazado.

O mesmo procedimento pode ser aplicado a outras combinaes de ligas metlicas e materiais de moldagem, necessitando-se apenas da determinao, de modo confivel, das curvas de variao de temperatura no molde durante o vazamento.

A literatura tcnica tem publicado um bom nmero de conjuntos de curvas como as da figura 8.3 que, em princpio, so uma boa fonte para que se calculem os valores de R aproximados, no caso das diversas ligas comerciais. Assim por exemplo, na figura 8.5, (a) e (b) mostram a evoluo da temperatura em moldes usados para fundir esferas de ao com, respectivamente, 9 e 6 polegadas de

73

Fig. 8.5 Evoluo de temperatura e temperaturas mximas alcanadas em moldes de areia verde aps fundio de peas de ao e ferro fundido. Os nmeros sobre as curvas indicam a distncia da interface, em mm.

dimetro, enquanto que (b) refere-se a um cilindro de ferro fundido com 1,5 polegadas de dimetro e 12 polegadas de comprimento, fundido em molde estufado (seco). Os fatores R calculados a partir daquelas figuras so dados na tabela 8.I.

interessante notar a boa aproximao dos valores de R nas duas ltimas colunas, embora se tratem de duas peas com dimenses bem diferentes. Alis, em termos de quilogramas de areia aquecida at TC por quilograma de ao fundido, a esfera de 6 teve um efeito maior que a de 9 cujo volume mais de trs vezes maior. Isto se deve, provavelmente, a uma menor temperatura de vazamento no caso da esfera maior.Tabela 8.I Valores calculados de R (kg areia aquecida a TC por quilograma de metal vazado)

T

C

Ferro fundido Ao (areia verde)Cilindro 2,5(areia verde)

cilindro 1,5(areia estufada)

esfera 9 esfera 6

250 0,689 3,72 2,53 2,91300 0,575 2,78 2,14 2,43350 0,484 2,07 1,84 2,06400 0,410 1,52 1,59 1,76450 0,348 1,08 1,38 1,59500 0,295 0,71 1,21 1,30550 0,249 0,42 1,06 1,12600 0,210 0,17 0,924 0,965650 0,174 - 0,810 0,830

A comparao das duas primeiras colunas tambm bastante instrutiva. Para o molde estufado R menor nas altas temperaturas e maior nas baixas temperaturas do que para o molde verde. Isso indica que o emprego de moldes secos implica em maior durabilidade para bentonitas e outros aditivos com temperaturas de decomposio superiores a 600C, do que a observada em moldes verdes. A provvel explicao para isso que, na ausncia dos vapores dgua superaquecidos, os moldes secos so piores condutores de calor que os moldes verdes. Mas nestes, a formao da camada de condensao limita a conduo de calor a baixas temperaturas.

As relaes de massa de areia afetada e massa de metal vazado do uma indicao muito boa daquilo que realmente ocorre na areia de moldagem em termos de desativao de argila ou aditivos. Os materiais inertes assim gerados, uso se acumulando no material de moldagem, a menos que este seja diludo com adies de areia nova e/ou areia resultante da desagregao dos machos na desmoldagem.

Com a reiterao dos ciclos de utilizao, a composio da areia de moldagem tende a atingir um equilbrio. Davies prope um modelo matemtico para exprimir a porcentagem de argila ativa no sistema aps um nmero n qualquer de ciclos de utilizao. Supondo que cada ciclo tem inicio no momento em que a areia deixa o misturador e definindo:

C = porcentagem de argila ativa no inicio do ciclo,

A= porcentagem de argila ativa na mistura inicial,

B = porcentagem de argila adicionada areia a cada ciclo,

S = porcentagem de areia de moldagem perdida ou removida do sistema a cada ciclo e substituda por areia nova mais argila e

i = porcentagem de argila tornada inerte em cada ciclo,

ter-se-, ao fim do 1 ciclo:

BiSAC +=100

)100(100

)100(1 ;

74

fazendo qiS =100

)100(100

)100(, ao fim do 2 ciclo tem-se:

BqBqAC ++= 22

e assim sucessivamente, at que ao fim do n-simo ciclo:

BqBqBqBqAC nnnn +++++= ...21

A soma dessa srie expressa por:

qqBqAC

nn

n

+=1

1

Como o valor absoluto de q menor que 1, quando o nmero de ciclos n tende ao infinito,a srie converge para:

qBC

=

1 ou 100

)100(100

)100(1 iSBC

=

Assim, se as perdas e a renovao so mantidas constantes, a porcentagem de argila C se estabiliza ao fim de um nmero suficientemente grande de ciclos. Os valores de S e i observados em boa parte dos sistemas de areias das fundies so tais que essa estabilizao ocorre aps 10 ciclos, aproximadamente.

A durao de cada ciclo (em horas) pode ser obtida dividindo-se a quantidade total de areia no sistema pela produo horria de areia preparada. Assim, por exemplo, num sistema que contenha 200 t de areia e que a produo horria seja de 20 t/h, a durao de um ciclo de 200 / 20 = 10 horas. A estabi1izao da composio da areia, aps qualquer modificao introduzida, ser alcanada aps 10 ciclos 10 horas/ciclo = 100 horas de operao.

Ojala e Schnay estendem o modelo de Davies, para exprimir a porcentagem de argila inerte no equilbrio. Denominando

T = porcentagem total de argila (ativa + inerte) no inicio do ciclo e

I = porcentagem de argila inerte

tem-se, por definio, que

CTI =

Fazendo i = 0, a expresso de equilbrio para a argila ativa transforma-se na equao de equilbrio para a argila total T, de modo que:

SBT 100=

ento:

CS

BI = 100

substituindo B:

100100 s

SiCI =

que a expresso da porcentagem de argila inerte na areia de moldagem, no equilbrio.

Essas mesmas expresses de C e I podem ser empregadas para qualquer dos constituintes da areia de moldagem. Juntamente com as relaes R, consideradas anteriormente, elas se constituem num meio

75

bastante eficiente de se avaliar com boa antecedncia as alteraes que podero ocorrer no sistema de areia em conseqncia de variaes introduzidas nos tipos e quantidades de materiais adicionados, nas relaes areia/metal.

b) Temperatura da areia recirculante

O calor transmitido pelo metal fundido ao molde traz uma outra conseqncia, alm das alteraes de composio j mencionadas: o aquecimento da areia recirculante, os problemas resultantes desse aquecimento, nos casos em que o sistema de recirculao no fornece condies adequadas para a dissipao de calor, podem ser bastante srios, como:

areia de moldagem quente em contato com superfcie metlica fria, resulta em condensao de umidade e aderncia de areia superfcie metlica. Isto pode ocorrer em placas-modelo metlicas, com conseqente dificuldade na extrao e mau acabamento do molde.

pelas mesmas razes, a areia de retorno e a areia preparada tendem a aderir s paredes dos silos e outros itens de equipamento (elevadores de canecas, por exemplo), diminuindo sensivelmente sua capacidade. Tem-se conhecimento de caso extremo em que um silo cilndrico com 1,6m de dimetro passou a conter uma camada to espessa de areia aderida, que a seo til do silo ficou reduzida a uns 60cm de dimetro; nesse caso particular, a capacidade do silo ficou reduzida a 1/9 da original, o que provocou reduo drstica da quantidade de areia efetivamente circulante na fundio e, consequentemente, elevao ainda maior da temperatura da areia.

areias preparadas, com temperatura elevada, tendem a perder umidade rapidamente, dificultando o controle e resultando em moldes frgeis, com superfcies friveis, o que causa incluses de areia e mau acabamento superficial nas peas fundidas.

tem sido demonstrado que a eficincia de operao do misturador fica completamente aleatria quando a areia misturada a temperaturas superiores a 70C; a faixa de 50 a 70C parece ser de transio, onde os resultados da mistura so errticos, sendo possvel vez por outra, obter-se as propriedades desejadas na areia; abaixo de 50C a operao de mistura torna-se reprodutvel e controlvel.

Quanto menor a relao entre peso de moldes e peso de metal vazado (ou relao areia/metal), tanto maior ser a quantidade de calor absorvida pela areia de moldagem. Num sistema razoavelmente mecanizado, as oportunidades de dissipao desse calor sero aproximadamente constantes, de modo que uma linha de moldagem onde a relao areia/metal no varie muito, existe a tendncia de estabilizao da temperatura da areia.

Embora outros fatores possam influir, a relao areia/metal a principal determinante da temperatura da areia aps a desmoldagem. As temperaturas mdias mais provveis so as seguintes:

Relaoareia/metal

Temperatura mdia da areia(na desmoldagem)

(C)

2/1 260 ou mais3/1 1604/1 1205/1 757/1 60

Os nmeros acima sugerem que uma forma eficiente de se evitar o problema de areia quente reside na adoo de elevadas relaes areia/metal.

A dissipao do calor contido na areia d-se pela conjugao dos seguintes mecanismos:

1. A areia proveniente da desmoldagem contm pores que estavam junto interface metal-molde,

76

aquecidas ao rubro e, nesse caso, a radiao de calor um fenmeno importante. O calor irradiado transmitido ao ar circundante, que deve ser renovado para que o processo de transferencia de calor seja eficiente; isto significa que o mecanismo de radiao deve ser complementado pela convecao.

2. A areia quente, em contato com partes do equipamento de desmoldagem, transporte e armazenamento, perde calor por conduo. Essa transferencia de calor ser eficiente enquanto a diferena de temperaturas entre os materiais em contato for grande. Para que isso acontea, necessrio que o calor transferido ao equipamento seja retirado, por exemplo, pelo ar circundante. Alm disso, como a areia m condutora de calor, necessrio que ela seja constantemente revolvida para que partes mais quentes tenham oportunidade de ceder seu calor s superfcies frias.

3. A gua contida no molde, ao se evaporar, absorve grande quantidade de calor: a evaporao de 1g de gua absorve cerca de 560 calorias. Como o calor especfico da slica de, aproximadamente 0,2cal/g.C, a evaporao de 1 g de gua contida em 100 g de areia, capaz de reduzir a temperatura desta em

C=

282,0100

560

Como a umidade contida nos moldes , em geral, superior a 3%, esse mecanismo seria teoricamente capaz de reduzir a temperatura da areia em mais de 80C, contando apenas com a umidade original da areia de moldagem.

A eficincia deste mecanismo diminui medida que a temperatura abaixa, pois a velocidade de evaporao da gua depende de sua presso de vapor e esta diminui com o abaixamento da temperatura. Alm disso, os vapores formados devem ser removidos do ambiente, por meio de circulao de ar, para que a evaporao no seja cerceada.

Quando a areia est quente e mida, a evaporao , sem dvida, o principal mecanismo de esfriamento. O melhor modo de aproveitar ao mximo esse mecanismo consiste em se homogeneizar a areia proveniente da desmoldagem, de modo que as partes frias e midas se misturem s quentes e secas. Posteriormente, o continuado revolvimento da areia, acoplado remoo dos vapores formados, atravs de uma circulao forada de ar, aceleram o esfriamento.

Dispondo-se de equipamentos especiais para efetuar essas operaes, possvel adicionar-se quantidades extras de gua, cuja evaporao permitir reduzir a temperatura da areia a nveis aceitveis. Esse procedimento exige cuidados e controle. A quantidade extra de gua adicionada para resfriamento funo da umidade remanescente na areia proveniente da desmoldagem e de sua temperatura. Como abaixo de 50C a presso de vapor da gua muito pequena (cerca de 1/10 da presso atmosfrica), a reduo de temperatura por efeito de evaporao tem a uma limitao prtica, Portanto, toda gua que exceder a quantidade necessria para reduo de temperatura at cerca de 50C permanecer na areia e, se esse excesso for grande, o manuseio por esteiras, transportadores pneumticos e elevadores de canecas ficar prejudicado, o mesmo acontecendo com o funcionamento dos silos de armazenamento.

A quantidade de gua para resfriamento , assim, limitada a:

% gua extra para resfriamento 28

50T - ( % umidade remanescente)

onde T a temperatura da areia na desmoldagem.

Em certas situaes possvel automatizar essa operao atravs de dispositivos capazes de dosar as quantidades de gua adequadas, quando alimentados com informaes fornecidas por sensores de temperatura e umidade da areia.

O que no se deve fazer tentar aspergir gua de resfriamento diretamente sobre a areia em correias transportadoras, pois os resultados se resumem, em geral, a problemas srios no sistema de transporte

77

devidos m disperso dessa gua, com pouca reduo na temperatura da areia.

A diminuio da temperatura obtida pela diluio da areia de retorno com areia nova fria , em geral, muito pequena Se, por exemplo, a diluio feita por adio de 5% de areia nova a 200C e a temperatura da areia recirculante de 500C, a temperatura final dada pela mdia ponderada:

CCC =+ 5,48100

2055095

A reduo obtida ser de apenas 1,5C. Como se v, esse mecanismo s se torna importante para grandes diluies.

Certos misturadores permitem substanciais redues na temperatura da areia. No entanto, essa opo s deve ser considerada em ltimo caso, por duas razoes. Em primeiro lugar o resfriamento no misturador ocorre custa de perda de umidade, o que, evidentemente indesejvel, pois dificulta sobremaneira o controle. Em segundo lugar, o esfriamento no misturador pressupe que a areia chegue quente ao misturador e, portanto, que ela seja acumulada quente nos silos e isso, como j se viu, pode trazer problemas bastante srios.

8.6 - Areia de faceamento

O emprego de areia de faceamento decorre, em geral, da ocorrncia isolada ou conjunta dos seguintes fatores:

dificuldades no controle preciso da composio e das propriedades da areia;

dificuldades em se conseguir esfriamento adequado da areia usada;

capacidade de preparo de areias insuficiente;

requisitos de acabamento superficial acima da mdia ou produo de peas particularmente sensveis a defeitos de expanso e

fundio de ligas com propenso a reagir com os materiais comuns de moldagem.

Na maioria dos casos, o uso de areia de faceamento numa fundio mecanizada, produzindo peas em sries razoveis, desnecessria. Nessas condies seu emprego em geral, indicativo de instalao inadequada.

Em fundies que trabalhem sob pedidos, com pequenas series e grandes variaes nos portes das peas fundidas, o uso de areia de faceamento pode ser a nica opo vivel.

Com o uso de areia de faceamento, os dispndios com aditivos e argila tendem a ser menores, mas essas diferenas tornam-se desprezveis no longo prazo. De fato, se corretamente formulada e controlada, uma areia nica s perde aditivos e a argila contidos numa pequena camada, junto interface, com espessura em geral no superior a 3 ou 4 cm. Assim, para que se consigam economias de argilas e aditivos com o uso de faceamentos, a espessura empregada deve ser menor que a espessura da camada de areia termicamente afetada.

O uso de areia de faceamento no significa que o controle da areia de enchimento possa ser completamente dispensado; algum controle necessrio para que se mantenham nveis adequados de permeabilidade e resistncia.

8.7 - Consideraes finais

Das consideraes feitas neste captulo, fica evidente que o preparo da mistura pode ser considerado um constituinte essencial das areias de moldagem, ao lado da areia-base, da argila, da gua e dos

78

aditivos.

A simples presena de determinados ingredientes numa areia de moldagem de forma alguma garante sua eficincia. As areias de moldagem no so dimensionadas como o so, por exemplo, os concretos usados na construo civil, usando-se conceitos de resistncia dos materiais. No caso de materiais de moldagem aglomerados com argila, a resistncia compresso a verde deve ser encarada no como verificao do cumprimento de uma especificao de propriedade mecnica, mas como uma avaliao de eficincia dos constituintes (principalmente da argila e da gua) na tarefa de conferir aos moldes propriedades que pouco tem a ver com resistncia mecnica.

Uma prova disso est no fato de que as perdas de peas por quebras de moldes sempre foram to raras que jamais chegaram a merecer destaque nos inmeros estudos que figuram na vasta literatura tcnica referente aos materiais de moldagem. E, no entanto, os valores de resistncia compresso a verde observados nas areias de fundio tm sido elevados constantemente. Uma explicao plausvel para esse fato a de que, consciente ou inconscientemente, os fundidores buscam os benefcios advindos da presena de filmes argila-gua mais completos sobre os gros. Dessa maneira, obtm-se uma melhoria geral nas propriedades e no comportamento do material de moldagem; o aumento da resistncia uma conseqncia lgica mas no o objetivo visado.

O relato de um caso real, bastante curioso, pode reforar essa idia. Numa fundio em que se decidiu adotar mtodos avanados de controle, detectou-se um problema mecnico no misturador que causava baixo aproveitamento da argila empregada. Sanada essa ralha, o misturador comeou a distribuir de forma mais eficiente o aglomerante adicionado e as conseqncias disso foram, simultaneamente, uma reduo dos defeitos devidos a expanso trmica e um aumento de resistncia mecnica. Como as adies de argila permaneceram constantes nesse perodo, o teor de argila ativa na areia de moldagem no se alterou. Aps um certo nmero de ciclos, observando que os valores de resistncia compresso ainda apresentavam tendncia a aumentar, o responsvel pelo controle da areia achou que deveria provocar a estabilizao da resistncia a verde e passou a reduzir as adies de argila. Os problemas de expanso trmica comearam a reaparecer, mas no foram associados reduo da argila. Com a diminuio da quantidade de argila na areia, o misturador passou a ser ainda mais eficiente. Como o sistema ainda no ha via atingido o equilbrio, esse aumento de eficincia, mesmo com menor quantidade de argila, resultou em novo aumento de resistncia que foi respondido com nova reduo da adio de argila. A incidncia de defeitos de expanso agravou-se ainda mais.

Esta histria teve final feliz. O bom senso final mente mostrou que a resistncia compresso no pode ser fixada como um objetivo prioritrio, mas deve ser encarada como um efeito de fenmenos muito mais importantes.

Deste caso podem ser tiradas algumas lies.

A primeira que o controle de areias no ter sentido se ficar restrito s observaes feitas em laboratrio.

A segunda que o critrio que determina se uma areia de moldagem boa o fato de produzir peas boas e no o simples atendimento a determinada especificao baseada em caractersticas tecnolgicas.

A terceira que a prudncia essencial quando se trata de introduzir modificaes num sistema de areia recirculante: como o equilbrio no atingido de imediato, as dedues apressadas tendem a se basear em hipteses que no so vlidas.

Finalmente, como muitos pontos relativos tecnologia de materiais de moldagem ainda permanecem controvertidos, a ponderao cuidadosa de fatos observados a nica forma de se chegar s respostas certas. Isto s ser possvel se, nessas ponderaes, forem suprimidos os juzos e conceitos prvios que no se baseiam em princpios comprovados e lgicos. E no so poucos os conceitos de aceitao generalizada que no resistem a uma anlise mais profunda.

Um desses falsos conceitos - o de que existe algo como tempo excessivo de mistura, ou over-mulling - resultou, provavelmente, da abordagem simplista de casos semelhantes ao acima relatado.

79

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS

1. SANDERS, C. A. Foundry Sand Practice. American Colloid Company, Skokie, Ill., 1973.

2. PARKES, W. B. Clay-Bonded Foundry Sand. London, 1971.

3. Processing and Controlling clay-bonded sand. American Foundrymen's Society, Des Plaines, Ill., 1971.

4. HOFFMAN, F. Properties change and conditioning of repeatedly circulating foundry system sands. AFS Transactions, 75 : 338, 1967.

5. WENNINGER, C. E. Green sand processing: An introduction to current fundamental thinking. AFS Transactions, 76 : 521, 1968.

6. HEINE, R. W.; SCHUMACHER, J. S. e GREEN, R. A. Bentonite clay composition in green sand. AFS Transactions, 64 : 97, 1976.

7. BRIGGS, C. W. e GZELIUS, R. A. Studies on solidification and contraction of steel castings. AFS Transactions, part I: 41 : 385, 1933; part II: 42 : 449, 1934; part III: 43 : 274, 1935; part IV: 44 : 1, 1936.

8. SANDERS, C. A.; DOELMAN, R. L. e den BREEJEN, A. C. Influence of shape and molding media on heat abstraction from metal castings. AFS Transactions, 80 : 129, 1972.

9. SANDERS, C. A. e DOELMAN, R .L. Durability of bonding clays - Part V. AFS Transactions, 76 : 334, 1962.

10. DAVIES, W. Foundry Sand Control. United Steel Companies, Ltd., Sheffield, 1950.

11. OJALA, T. J. e SHNAY, R. C. Equilibrium in foundry system sand. AFS Transactions, 72 : 641, 1964.

12. VINGAS, G. J. Sand control of green system sands by simple inventory method. AFS Transactions, 76 : 213, 1970.

13. SCHUMACHER, J. S. et al. Why does hot sand cause problems?. AFS Transactions, 62, 1974.

14. SCHUMACHER, J. S. et al. Why hot sands causes problems -Part 2. AFS Transactions, 63 : 441, 1975.

15. High pressure molding. American Foundrymen's Society, Des Plaines, Ill., 1973.

80