Areias de Fundição

Areias de Fundição

Areias de Fundição
Areia de fundição é um aglomerado constituído de areia base, aglomerante, água e aditivos. Areia Base - É o que define a qualidade superficial da peça e o comportamento do molde a temperaturas elevadas. É obtida através de minerais ou de forma sintética. Propriedades das areias base: • Granulometria: Diâmetro médio de um grão de areia considerando-se todos os grãos como esféricos; (varia, normalmente, de 0.05 mm a 2 mm para areias de fundição). • Refratariedade: Temperatura a partir da qual o molde deverá ter alterações em suas propriedades.

• Permeabilidade: Capacidade da areia de permitir passagem de fluido pelos espaços intergranulares.

Areias base mais utilizadas: Areia de Sílica (SiO2) Vantagens: É obtida com um teor de impureza mínimo; pela abundância de silício na crosta terrestre e facilidade de purificação, é muito mais barata; Desvantagens: Tem uma elevada expansão térmica; tem reatividade com alguns metais e ligas; pode causar uma doença denominada silicose. Areia de zirconita (ZrO2SiO2) Vantagens: É mais refratária e apresenta a menor expansão térmica entre as areias mais utilizadas; é menos reativa com outros metais, particularmente com o ferro; Desvantagens: É mais cara, pois este tipo de areia não existe em abundância; sua alta densidade faz com que se gaste mais dessa areia para se fazer um molde. Areia de cromita (FeO Cr2O3) Vantagens: É a mais refratária entre as areias mais utilizadas; alto ponto de fusão (cerca de 2180 °C); comportamento químico neutro; Desvantagens: Existem poucos locais de obtenção desta areia no mundo, portanto, é mais cara. Areia de olivina (Mg2SiO4 Fe2SiO4) Vantagens: propriedades intermediárias se comparadas aos outros tipos de areia; Desvantagens: propriedades intermediárias se comparadas aos outros tipos de areia; tem a refratariedade mais baixa entre as areias mais utilizadas; material frágil. Aglomerante - É o material cuja finalidade é promover a ligação entre os grãos da areia base, dando certa resistência e moldabilidade ao material resultante. Uma areia de fundição pode conter mais de um tipo de aglomerante, dependendo do resultado requerido para a peça. Aglomerantes mais utilizados Argila (principalmente bentonita) – Garante uniformidade ao material; Dextrina – Fornece maior resistência mecânica ao molde quando este é seco em estufa; Farinha de milho gelatinizado (Mogul) – Melhora a trababilidade da areia; Breu em pó – dá à areia seca grande resistência mecânica.

Aditivos - Materiais adicionados à areia de fundição para suprir a necessidade de certa propriedade que não foi possível ser obtida através da areia base, do aglomerante e da água, no caso da areia verde. Os aditivos podem suprir: • Deficiências no processo de mistura que levam a insuficiência de dispersão de argila e água sobre os grãos de areia; • Influir nas interações entre a superfície do molde e o metal líquido, eliminando as reações metal-molde, aprimorando o acabamento superficial, evitando lavagens e inclusões de areia, etc.; • Elevar a resistência a seco; • Modificar propriedades a altas temperaturas; • Facilitar a desmoldagem; • Compensar os efeitos colaterais de outros aditivos;

Aditivos Orgânicos Carbonáceos: Pó de carvão (ou Carvão Cardiff), piches, resinas, asfaltos, que servem principalmente para evitar aderência da areia à peça; Celulósicos: Pó-de-madeira, que serve para consumir o oxigênio da cavidade do molde e para compensar a expansão térmica da areia; Amidos e Dextrinas: Aumentam a plasticidade sem grande prejuízo à resistência a compressão, aumentam a resistência e reduzem os efeitos da expansão térmica. Aditivos Inorgânicos Pó de materiais naturais ou sintéticos que podem: adicionar alguma resistência e/ou plasticidade a quente; formar uma massa semilíquida que preencha os vazios e impeçam a penetração de metal; etc. Os tipos mais utilizados são o pó-de-sílica e o óxido de ferro.

A Areia nos Processos de Fundição
Areia Seca – Este tipo de areia pode ser: semissintética ou sintética. No processo de fundição passa por estufa que deixa o molde mais rígido. Areia Verde - É a areia mais barata e mais utilizada nos processos de fundição por gravidade. Recebe este nome por ser uma areia que contém umidade (em paralelo com a madeira verde, que também contém umidade). Areia Cimento - Baseada em areia siliconada, cimento portland e água. Possui bom acabamento e é muito utilizada com peças de grande porte. Areia de Macho – É uma areia que contém óleo de macho, óleo de linhaça (secativos), elementos orgânicos e bentonita. Necessita de secagem em estufas. Areia para Shell Molding - Mistura-se areia e resina sintética (aglomerante). Tem o melhor acabamento entre os processos que envolvem areia. Necessita de secagem em estufas. Tratamento com CO2 - O tratamento com CO2 pode ser feito em areia verde para o endurecimento do molde. Após a moldagem da caixa é injetado o gás CO2 que reage segundo equação abaixo: Na2SiO3 + H2O + CO2 Þ Na2CO3 + SiO2 + H2O Essa reação faz com que a areia endureça e apresente coloração esbranquiçada.

Preparação da Areia
A preparação da areia consiste em um conjunto de processos que visa transformar a matéria prima da areia de fundição na areia pronta propriamente dita. São dois processos que constituem a preparação da areia: Mistura e Aeração. Mistura: Visto que algumas propriedades desejadas da areia de fundição são resistência mecânica adequada e um bom controle de expansão térmica da areia-base, a mistura dos componentes da areia de fundição é vital para a obtenção de uma areia de boa qualidade.

Consequências de uma mistura ineficiente:
Argila Latente: argila que está contida no composto da areia de fundição, mas que não participa do processo de aglomeração. • Areia umedecida desproporcionalmente: resulta em regiões secas, com mínima resistência ao cisalhamento. Acontece muito nas bordas, onde o efeito é agravado pelo contato direto com a atmosfera, onde a água da areia também evapora. • Desestabilidade térmica do molde: regiões com pouca ou muita argila possuem temperaturas diferentes, o que acarreta em pontos muito quentes ou frios, que expandem muito ou pouco, e desestruturam o molde. A areia de fundição ideal é aquela que todos os grãos que a compõem estão na seguinte forma:

Praticamente impossível chegar à condição ideal.
Misturadores de laboratório, trabalhando com pequenas quantidades de areia e tempos de mistura irreais (30 horas ou mais) chegam próximos à condição ideal. Para a indústria, que dispõe de 5 a 10 minutos para misturar a areia, condição ideal é ainda mais difícil de alcançar. Como minimizar o erro? Tempo de mistura - maior possível. Misturadores de alta qualidade, com bom rendimento e alta potência. Atentar às proporções de areia-base/aglomerante/água.

Tipos de Misturadores: - Misturador Intensivo de Galgas Horizontais; - Misturador Intensivo de Galgas Verticais; - Misturador Intensivo Contínuo de Galgas Horizontais.

Aeração: No processo de mistura da areia, ela sofre constante pressão, o que acarreta na formação de “pedras” de areia comprimida ou “grumos”, como são mais conhecidos. Esses grumos dificultam a moldagem da areia e tornam as paredes do molde muito rugosas. Para eliminar esse problema, existem máquinas que fazem o recondicionamento da areia, e operam lançando a areia contra algum tipo de obstrução que a faça se separar mecanicamente (algo como um pente metálico ou uma série deles, por exemplo).

Descarte de areia de fundição
Segundo a norma ABNT NBR 10004/2004, que trata da classificação dos resíduos sólidos quanto aos seus riscos potenciais ao meio ambiente e a saúde pública, a areia descartada de fundição é classificada como classe II A. Nesta classe constam os resíduos não perigosos e não inertes. Solução para o descarte da areia de fundição • Utilização máxima do material dentro do sistema; • Regeneração mecânica; • Regeneração térmica; • Reutilização como subproduto em outras aplicações; • Destinação para áreas de processamento que possibilitem a reutilização futura; • Destinação para aterros definitivos exclusivos de areias descartadas da fundição; • Destinação para aterros classe IIA misturando com outros resíduos industriais

Aterros Industriais
O envio e a disposição das areias descartadas de fundição em aterros industriais constituem-se atualmente a única solução legalmente constituída, sem a necessidade de novos licenciamentos, além daqueles necessários a implantação e operação destas áreas. Sob o ponto de vista ambiental a formação de aterros constitui-se na criação de passivos ambientais, nos quais as areias descartadas de fundição são misturadas a outros resíduos, em geral com maior potencial de contaminação. Além disso, a formação de aterros, sejam eles próprios ou de terceiros, acarretam no aumento do processo de desertificação, reduzindo o espaço de áreas produtivas, agrícolas, habitáveis ou de preservação. Acarretam grande risco para as empresas de fundição devido ao grande volume gerado de areias descartadas da fundição e ao seu aspecto, e em caso de contaminação por acidente são responsabilizadas devido ao pouco conhecimento existente dos reais impactos deste material. Sob o ponto de vista econômico é inviável para a grande maioria das empresas devido ao custo de transporte e disposição, especialmente quando é necessária adoção de aterros e transporte terceirizados, contudo é largamente adotada por tratar-se da opção legal disponível as fundições.

• Depósitos Exclusivos para areias descartadas de fundição
Atualmente para construir um depósito exclusivo de areias descartadas de fundição os projetos devem ser concebidos com base nas normas aplicáveis à construção de aterro Classe IIA, indicado para a disposição de resíduos não perigosos e não inertes. Estes projetos preconizam a adoção de controles tais como a geração de gases e o tratamento de chorume, além do alto investimento requerido para o nível de rigidez para sua construção e operação e prazo de implantação de no mínimo um ano devido aos processos de licenciamento ambiental. Entretanto, as características de composição e lixiviação das areias descartadas de fundição poderiam oferecer dados aos projetos executivos dos aterros para limitar os controles aplicados a disposição adequada do resíduo e potencializar futuras aplicações deste material transformando estas áreas em depósitos para o futuro manejo do minério ali disposto.

Esta solução apresenta-se de médio prazo para empresas que tenham espaço dentro do próprio site ou fora dele, desde que atendidos os padrões técnicos necessários. É uma solução ideal para empresas que tenham maiores volumes de descarte. Empresas com volumes menores podem se unir em “consórcios”, porém o controle deverá ser maior para evitar lançamentos e contaminações por outros resíduos. Reutilização Existem várias razões para que as areias de fundição sejam amplamente usadas, uma destas é a possibilidade de sua reutilização, o que diminui custos e potencializa a obtenção das propriedades adequadas ao processo. Após o processo de desmoldagem a areia não apresenta mais as características iniciais e necessárias para a compactação dos moldes, essa perda de características acontece basicamente por causa das altas temperaturas em que o molde e consequentemente a areias são submetidas. Neste processo uma parte da argila perde o seu poder aglomerante, boa parte da água é perdida (processo que pode ser revertido), os aditivos podem ser parcialmente destruídos ou alterados o que causa a necessidade de serem compensados. Dependo do processo e do material vazado esta reutilização pode chegar até 100%, desde que no processo não se apresente perdas ou mudança das propriedades e/ou características da areia. Como é Feita as Correções: As correções necessárias são basicamente as seguintes: a) Adição de argila nova em substituição àquela que se tornou “inerte” devido às alterações irreversíveis; b) reposição dos aditivos; c) Diluição com areia-base nova, tanto para compensar perdas, como - e principalmente – para manter os teores de argila inerte e produtos de decomposição dos aditivos dentro de limites adequados; d) re-umidificação da areia da moldagem. Essas correções são, em geral, realizadas numa única operação de mistura, durante a qual a areia de retorno (areia que será reutilizada) e os novos constituintes são homogeneizados. Sistema da Areia Define-se como sistema da areia o conjunto dos processos, inclusive controles, empregados para produzir a areia de moldagem desejada, reutilizando a areia resultante da desmoldagem; em outras palavras, o sistema de areia é o conjunto de processos de recuperação e de recondicionamento da areia de moldagem (por extensão, o conjunto dos equipamentos usados para esse fim numa fundição é, muitas vezes, impropriamente chamado sistema da areia). Um sistema de areia pode ser unitário ou composto de dois ou mais subsistemas. No primeiro caso, os moldes são integralmente constituídos de um único tipo de areia de moldagem e essa areia é dita areia única de sistema ou areia de sistema ou, ainda, areia de circuito. O exemplo mais comum de emprego de sistema composto é encontrado em fundições que trabalham com duas areias de moldagem (uma de faceamento e outra de enchimento).

Sistema unificado Sistema composto Note-se que em ambos os casos, todos os tipos de areia que compõem o molde são geralmente misturados por ocasião da desmoldagem, para constituir uma única areia de retorno.

Ações Sustentáveis Existem processos onde a reutilização da areia não pode ser feita de forma direta, seja por questões de perda de propriedades ou pela deposição de metais estranhos ao processo (causada no momento do vazamento). Nestes casos novos métodos devem ser adotados: Regeneração – Consiste em devolver as areias de fundição, as características das areias novas. É constituído por quatro etapas, sendo muitas vezes desnecessário que as areias passem por todas elas. • 1ª etapa: Desagregação de torrões e grumos, ou seja, liberação dos grãos individuais da areia, etapa sempre necessária; • 2ª etapa: Remoção dos resíduos metálicos, seja na forma de óxidos, seja na forma de gotas; • 3ª etapa: Limpeza superficial dos grãos, ou seja, remoção dos resíduos de aglomerantes, aditivos e seus produtos de decomposição aderidos aos grãos. • 4ª etapa: Classificação da areia regenerada, de modo a restabelecer a granulometria desejada. Na regeneração a terceira etapa é a mais importante, podendo ser realizada das seguintes formas: • Tratamento Mecânico - Neste processo, os grãos de areia são submetidos a uma agitação mecânica com o objetivo de remover as capas de resíduos aderentes aos grãos através de impactos e ou esfregamento de grãos contra grãos, ou de grãos contra partes do equipamento. • Tratamento Úmido – O sistema emprega técnicas de processamento mecânico, seguido de operações unitárias de elutriação, decantação, secagem e resfriamento. É o método mais eficaz para a limpeza dos excedentes de areia, desde que nas capas dos resíduos a remover predominem substâncias solúveis em água (como o silicato de sódio) ou substâncias hidrofílicas (como a bentonita na areia verde), no entanto, o tratamento das grandes quantidades de água requeridas para o processo (8 toneladas de água/tonelada de areia processada) exige equipamentos de grande porte e a ocupação de extensas áreas, e o respectivo tratamento de neutralização e remoção de partículas, custos de manutenção, além da necessidade da areia ser seca antes do reuso, resultando em alto custo de investimento. • Tratamento Térmico - O processo térmico usa aquecimento para remover os ligantes da areia, sendo considerado o processo mais eficiente para limpeza dos ligantes orgânicos - os quais sofrem decomposição e volatilização a temperaturas elevadas - materiais carbonáceos e resinas químicas dos grãos. Os projetos mais usuais de regeneradores térmicos a alta temperatura são baseados em fornos de leito fluidizado devido aos menores custos de construção e de manutenção, aliados a uma maior homogeneidade de temperatura. • Tratamento Químico - Utiliza-se o processo de oxidação avançado conhecido como Processo Fenton, o qual utiliza uma mistura de peróxido de hidrogênio e um íon ferroso, gerando radicais hidroxil altamente reativos que atacam e destroem a matéria orgânica. Em busca de crescimento sustentável, muitas empresas vêm desenvolvendo pesquisas, que visam criar técnicas menos nocivas ao meio ambiente e que contribuam de forma significativa com a sociedade. No setor de fundição não poderia ser diferente, as areias utilizadas no processo estão sendo alvos de pesquisas que tem como finalidade agregar este resíduo ao ramo da construção civil, algumas pesquisas e iniciativas mostram bons resultados em favor de sua utilização na fabricação de tijolos, telhas e cerâmicas em geral. Esta iniciativa, além de causar a diminuição dos materiais de risco, causa uma sobrevida às olarias, uma diminuição na extração das jazidas e do consumo de combustíveis fósseis por conta do transporte, sem mencionar o aumento de qualidade por parte dos produtos criados desta parceria.

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