MARCOS LEONARDO VIEIRA DOS SANTOS
REUTILIZAÇÃO DA AREIA RESIDUAL DE FUNDIÇÃO PARA FABRICAÇÃO DE MOLDES PARA PEÇAS METÁLICAS
Tubarão 2018
MARCOS LEONARDO VIEIRA DOS SANTOS
REUTILIZAÇÃO DA AREIA RESIDUAL DE FUNDIÇÃO PARA FABRICAÇÃO DE MOLDES PARA PEÇAS METÁLICAS
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Química da Universidade do Sul de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do título de Bacharel em Engenharia Química.
Orientador: Prof. Dr. Jonathan Alexsander Bork
Tubarão 2018
AGRADECIMENTOS
Quero aqui expressar meus agradecimentos a todos que fizeram parte desta etapa importante da minha vida, que dentre tantas coisas foi um sonho realizado.
Parece-me redundante que em todos os trabalhos lidos, encontro como primeiro parágrafo o nome daquele que é a razão de nossa existência. Embora apenas pareça, não é por acaso, que todos assim como eu decidem colocar nosso divino Pai à frente de tudo, pois ele é reflexo de nossas vidas. Obrigado meu Deus por ter me amparado em todos os momentos de fraqueza.
Àqueles que foram em todo esse processo minhas fontes de inspiração para essa conquista, em especial a minha família: meus pais João Batista dos Santos e Nelzi Vieira Dos Santos; aos meus irmãos Ricardo Vieira Dos Santos e Amanda Vieira Dos Santos, minha Avó Osmarina dos Santos Vieira e minha namorada Caroline Ehing de Brida. Agradeço infinitamente a paciência em toda essa caminhada.
A todos os meus professores que sempre me impressionavam e instigavam a cada aula, ouso dizer que aproveitei cada minuto dos ensinamentos de vocês, muito embora, às vezes cansado após uma jornada de trabalho. À Maria Lúcia Cochlar, que além de ser uma profissional exemplar me ensinou a ser um ser humano melhor, sempre com sua luz irradiante em nossas horas de conversas após as aulas. Ao professor Marcos Marcelino Mazzucco que em diversas vezes nos levou em outros universos dentro de um simples copo de café (Lei de Coppler). Ao professor Cesar Renato Alves da Rosa, que mostrou verdadeiramente o que é engenharia aplicada através de sua vasta experiência no mercado de trabalho. Ao professor Jair Juarez João que além de excelente professor foi um grande parceiro durante a caminhada acadêmica. Ao que se tornou meu amigo, Domingos Pignatel Marcon, um exemplo de professor e cidadão pela conduta de vida que leva. E por último mas não menos importante ao professor Jonathan Alexander Bork, por todo conteúdo e ensinamento transmitido, e pela sua amizade que serviram de consolo em tantos momentos de dificuldade.
A todos os meus colegas e amigos de classe, que de certa forma contribuíram para o aprendizado global, mantendo o ambiente acadêmico “oxigenado”.
A meus colegas de trabalho que me deram alguns “toques”, e a toda empresa X por me proporcionar tanto aprendizado, os meus sinceros agradecimentos.
“O barco em que muitas vezes enfrentamos tempestades, e as redes que muitas vezes calejaram nossas mãos, foram as mesmas que nos trouxeram a vitória. ”
RESUMO
O mundo atual, por sua dinamicidade avança de forma exponencial, em conjunto com desenvolvimento técnico-cientifico. Por conseguinte é mister que as empresas avancem gradativamente em busca da otimização de processos, de novas tecnologias, sempre evitando gastos e com visão sustentável. Hoje umas das grandes preocupações é a destinação dos resíduos que uma vez gerados, se tornam apenas acumulados de “lixo” e sem serventia alguma. Observando essa situação, buscou-se uma forma de contribuir, para mudar um pouco a cara do cenário em que vivemos. A reutilização da areia residual de fundição objetiva-se, não apenas na visão lucrativa, que é muito atrativa, mas em contribuir com o meio ambiente, já que não lançar em aterros, traz a oportunidade de transformação dos resíduos em matéria prima, aumentando o tempo de vida das minas de areia. Com intuito de avaliar a possibilidade da reutilização da ADF, a mesma foi submetida a um processo de lavagem em bancada imitando um processo em grande escala. Depois dessa etapa o material foi seco e passado por peneiras de mesh 20 e de mesh 140, para retirado dos grãos mais grosseiros, e dos finos respectivamente. Por conseguinte os ensaios de granulometria, perda ao fogo, pH, permeabilidade e resistência a tração, demostraram que seu retorno ao processo de fundição é possível, visto que os valores obtidos para tais ensaios ficaram próximos aos valores da areia virgem. Desta forma foi possível a demonstração do seu desempenho, aplicando 100 % de areia recuperada na confecção do molde, e posteriormente o envasamento e obtenção da peça metálica.
ABSTRACT
The current world, by its dynamicity advances exponentially, together with technical-scientific development. Therefore, it is necessary that companies progress gradually in search of optimization of processes, new technologies, always avoiding expenses and with a sustainable vision. Today our great concern is the destination of the waste that once generated, become only accumulated "garbage" and without any use. Observing this situation, we sought a way to contribute, to change a little the face of the scenario in which we live. The reuse of the residual sand from foundry is not only a profitable vision, which we agree is very attractive, but in contributing to the environment, since it does not launch into landfills, it brings us the opportunity to transform waste into raw material, and thus increasing the life of the sand mines. In order to evaluate the possibility of reuse of the ADF, it was submitted to a bench washing process, imitating a large scale process. After this step the material was dried and passed through mesh 20 and mesh 140 sieves, to remove the coarser grains, and fines respectively. Therefore, the granulometry, fire loss, pH, permeability and tensile strength tests demonstrated that their return to the casting process is possible, since the values obtained for such tests were close to the virgin sand values. In this way it was possible to demonstrate its performance by applying 100% of sand recovered in the mold making, and later the potting and obtaining of the metal part.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1: Estrutura cristalina da sílica (quartzo) em temperatura ambiente ... 16
Figura 2: Areia de sílica no formato microscópio. ... 17
Figura 3: Processo de fundição ... 21
Figura 4: Modelo de madeira. ... 21
Figura 5: Confecção de molde de areia em modelo de madeira. ... 22
Figura 6: Produção de núcleos... 23
Figura 7: Torrão de areia residual de fundição ... 24
Figura 8: Etapas de polimerização da resina fenólica alcalina Resol. ... 26
Figura 9: Estrutura da resina Reite após a polimerização completa da resina fenólica alcalina Resol. ... 27
Figura 10: Método de divisão de cones em quatro partes. ... 29
Figura 11: Atrição lavagem. ... 30
Figura 12: Ensaio granulométrico. ... 31
Figura 13: Determinação de pH. ... 32
Figura 14: Martelete. ... 33
Figura 15: Permeâmetro. ... 34
Figura 16: Batedeira planetária utilizada para confecção das misturas de areia. ... 35
Figura 17: Caixa de macho para confecção de corpos de prova para ensaio de tração. ... 36
Figura 18: Equipamento para ensaio de tração. ... 36
Figura 19: Modelo do molde. ... 37
Figura 20: Fundição do aço. ... 38
Figura 21: Aço sendo envazado no molde... 38
Figura 22: ADF da areia bruta. ... 39
Figura 23: ADF areia bruta/ ADF areia beneficiada. ... 40
Figura 24: Molde para a peça metálica. ... 44
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Fatores de multiplicação. ... 31
Tabela 2: Médias de distribuição granulométrica... 40
Tabela 3: Determinação de pH. ... 41
Tabela 4: Teor de perda ao fogo. ... 42
Tabela 5: Permeabilidade. ... 42
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 12 1.1 JUSTIFICATIVA E PROBLEMA ... 13 1.2 OBJETIVOS ... 15 1.2.1 Objetivo Geral ... 15 1.2.2 Objetivos Específicos... 15 2 REVISÃO DE LITERATURA ... 16 2.1 AREIA INDUSTRIAL ... 16 2.2 LAVRA ... 17 2.3 BENEFICIAMENTO ... 18
2.4 HISTÓRICO DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO ... 19
2.5 PROCESSO DE FUNDIÇÃO ... 19
2.6 MODELAGEM ... 21
2.7 MOLDAGEM ... 22
2.8 AREIA RESIDUAL DE FUNDIÇÃO ... 23
2.9 RESINA FENÓLICA ... 24
2.10 CATALISADOR ... 27
2.11 CLASSIFICAÇÃO DOS RESÍDUOS ... 27
2.12 DEPOSIÇÃO DOS RESÍDUOS... 28
3 METODOLOGIA DA PESQUISA ... 29
3.1 MATERIAIS E MÉTODOS ... 29
3.1.1 Amostragem e redução da amostra ... 29
3.1.2 Lavagem ... 29
3.1.2.1 Ensaio Granulométrico ... 30
3.1.2.2 Ensaio de pH... 32
3.1.2.3 Ensaio de perda ao fogo - PF ... 32
3.1.2.4 Ensaio de permeabilidade ... 33
3.1.3 Preparação dos corpos de prova de areia ... 34
3.1.4 Ensaios de tração ... 36
3.1.5 Confecção do molde ... 37
3.1.6 Envasamento do metal no molde ... 37
3.2 ANÁLISE DOS DADOS E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ... 38
3.2.2 Lavagem ... 39
3.2.2.1 Ensaio granulométrico ... 40
3.2.2.2 Ensaios de pH ... 41
Ensaio de perda ao fogo - PF ... 42
3.2.2.3 Ensaio de permeabilidade ... 42
3.2.3 Ensaio de tração ... 43
3.2.4 Confecção do molde para peça metálica ... 43
3.2.5 Benefícios do uso de ADF no processo de moagem ... 45
4 CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES... 46
1 INTRODUÇÃO
O setor de fundição é considerado o mais versátil e amplo dentre os de conformação de metal, sendo responsável pela confecção de peças fundidas de diferentes tamanhos e formas, desde utensílios domésticos até blocos de motor. Portanto, torna-se desta forma de extrema importância para o desenvolvimento industrial do país, sendo a base de toda a indústria e um dos principais termômetros da economia.
Segundo senso mundial de produção de fundidos da revista Metal Casting Design & Purchasing, edição Janeiro/Fevereiro de 2017 o Brasil está em 9° colocado como maior produtor de fundidos do mundo, ficando atrás da China, Japão, Estados Unidos, Índia, Rússia, Coreia do Sul, Alemanha e Ucrânia.
Segundo ABIFA (2018), após três anos seguidos de queda na produção, a indústria brasileira de fundição apresentou uma retomada e em 2017 fechou com 2,3 milhões de toneladas de peças fundidas, retomando o patamar de 2015.
O mercado de fundição encontra-se em uma crescente novamente, onde os resultados apontam valores satisfatórios. Infelizmente como a maioria das empresas, esse setor também tem seu ônus, e anualmente, são geradas mais de três milhões de toneladas de resíduo (ADF) e grande parte desta produção é destinada a aterros industriais, enquanto muito pouco desse material é reaproveitado em outros processos (ABIFA, 2012).
Apesar da areia de fundição ter como base a areia natural, ao entrar no processo produtivo, os aditivos nela inseridos para conformação da peça, fazem com que os resíduos apresentem composições químicas totalmente diferentes após a desmoldagem. (NUNES, 2013).
Essa areia residual de fundição é classificada pela ABNT NBR 10004:2004 como de classes I (perigosos) e II-A (não perigosos, mas não inerte), devido a presença de formaldeído e fenol que lhe conferem periculosidade (NUNES, 2013).
A ABIFA (2010) afirma que, no Brasil são gerados cerca de 2 milhões de toneladas de areia residual de fundição, tornando-se desta forma um problema de grande preocupação.
Conforme exposto, sabe-se que esse setor é de grande importância na economia do país, e também é responsável pela geração de um grande volume de resíduos de areias fenólicas, logo é de grande valia a busca por uma nova solução quanto destinação destes resíduos, de forma que haja menos impacto ambiental.
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1.1 JUSTIFICATIVA E PROBLEMA
No momento atual em que se vive é notável que o movimento tecnológico e cientifico tornou-se a seiva vital para globalização, abrindo portas para descobertas importantes na história da humanidade. Essas descobertas remetem à Revolução Industrial, que teve início na Grã-Bretanha por volta do século XVIII, a qual deixou para trás o modo de produção manual e agrícola, e introduziu o uso de máquinas no auxílio e substituição das atividades humanas, sendo responsável pelo desenvolvimento das produções e mercados. Com o crescente aumento populacional e a exigência de produzir cada vez mais, a fim de atender essa demanda, a produção em massa começou a ganhar força, fazendo com que as indústrias explorassem descontroladamente os recursos acessíveis no ambiente, visando lucros e garantindo amplificação. A Revolução Industrial se alastrou primeiramente nos países da Europa, seguindo para os Estados Unidos, e logo expandiu rapidamente para todo o mundo. A primeira instância, a produção em massa aparentava ser unicamente uma solução capaz de baratear uma série de elementos, tendo em vista apenas o favorecimento da qualidade de vida da população, porém acabou por criar uma série de desdobramentos não planejados, como por exemplo, os impactos causados ao meio ambiente.
Com o passar do tempo esse movimento veio se intensificando, e tornando o homem capaz de produzir mais do que o necessário para sobreviver. Isso faz com seja impresso na sociedade o estímulo ao consumismo constante, ou seja, a alienação e compunção por adquirir e usufruir novos produtos e ter maiores comodidades. Essa questão é muito comum atualmente no século XXI, e é um dos principais obstáculos para preservação do meio em que vivemos, levando em conta que quanto mais se consume mais se necessita de indústrias para satisfazer a população. As respostas para esse desenvolvimento desenfreado e a ascensão do consumo, já estão visíveis em dezenas de estudos realizados. A degradação do meio ambiente é crescente e acelerada, pois as modificações que foram infundidas para atender a todo esse movimento imprimiu ao cenário homem-natureza uma cara ambientalmente catastrófica, pois o ser humano explorou e explora o meio de forma desordenada não atentando as consequências.
Dentre os impactos ambientais, destaca-se o aumento da taxa de geração de resíduos (sólidos, particulados e efluentes). Para que tal problema seja sanado, torna-se crucial o levantamento desse tipo questão, e a análise da dimensão do mesmo.
Para a questão descrita neste relatório, observou-se a nível nacional que a areia descartada de fundição (ADF) representa um dos resíduos industriais de maior volume de
produção. Por conseguinte, fazendo um retrocesso desde a matéria prima, até a formação do rejeito, citam-se grandes etapas que se tornam cruciais na pesquisa. O processo de fundição utiliza como matéria prima principal a areia natural, esta oriunda da degradação de cristais de rocha. A areia em questão apresenta formas, tamanhos e distribuição de grãos variados, características estas que são adquiridas devido fatores erosivos, chuva e pelo vento. Para que a areia possa ser utilizada no processo de fundição, esta deve ser beneficiada e classificada. Após devidamente tratada, a areia poderá ser destinada a fabricação dos moldes e machos no caso de moldação a frio (processo mais comum na região). Nesse tipo de fabricação usa-se areia misturada com resina (fenólica) e catalisador, a fim de garantir maior resistência às peças.
Na indústria de fundição, os produtos orgânicos que são utilizados como aglomerantes geralmente são resinas fenólicas, furânicas ou ainda alquídicas. Estas fazem seu processo de cura em temperatura ambiente e sob a ação de catalisadores. Durante esse processo ocorre a polimerização das moléculas que envolvem os grãos de areia mantendo-os fortemente unidos.
As areias residuais de fundição quando dispostas de maneira inadequada, acabam por gerar impactos ambientais, principalmente no solo, águas superficiais e subterrâneas. A fim de amenizar de alguma forma esse problema, os órgãos ambientais vêm estreitando a fiscalização ao criar algumas normas e leis que regulamentam este tipo de atividade.
Sabe-se que cada processo em particular tem sua peculiaridade e, portanto, em função disso as areias de moldagem apresentam características quantitativas e qualitativas diferenciadas. Por exemplo, a areia utilizada para a construção do molde, dependendo do seu material, pode ficar contaminada com metais pesados, e por resinas poliméricas empregadas na compactação.
Atualmente, um dos problemas vivenciados por esse setor, diz respeito às areias contaminadas com resina fenólica durante o processo de desmoldagem das peças metálicas. Parte desse resíduo vem sendo acumulado na própria empresa ou enviado para aterros industriais, causando sérios danos ao meio-ambiente. O rejeito em questão trata-se de um resíduo sólido geralmente classificado, segundo ABNT NBR 10004:2004, como de classes I (perigosos) e II-a (não perigosos e não inertes), devido à presença de ligantes químicos (resinas) e metais do processo de fundição. Além de gerar uma grande quantia de rejeito, as fundições tem a necessidade de consumir novas areias que são recursos não renováveis, o que torna imprescindível a busca por soluções para tais vicissitudes.
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Com base na problemática exposta neste capítulo qual seria o potencial de reaproveitamento da areia de fundição rejeitada visando uma tecnologia viável e de fácil aplicação?
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo Geral
Tornar viável a tecnologia de reaproveitamento da areia residual de fundição (ADF) para moldagem de peças metálicas, visando economia da mina, e também oportunidade de lucro com produto em questão.
1.2.2 Objetivos Específicos
a) Apresentar as etapas de extração e beneficiamento de areias industriais; b) Propor um método de remoção de resinas e outros aditivos da areia de fundição;
c) Identificar o potencial de reutilização da areia residual de fundição (ADF) via levantamento bibliográfico e análises laboratoriais na própria empresa;
d) Realizar testes para verificação da dosagem de ADF na confecção de molde para peça metálica.
2 REVISÃO DE LITERATURA
2.1 AREIA INDUSTRIAL
Areia industrial é um termo genérico, utilizado para designar areias de quartzo, areia quartzoza, quartzito ou areia de sílica (sílica sand). Sendo empregadas tanto em estado natural quanto beneficiado, estas são utilizadas para vários fins, desde a fabricação de vidro até a elaboração de moldes para peças metálicas. No Sul do país, o estado de Santa Catarina é o maior produtor, com destaque para os municípios de Araquari, Jaguaruna e Imbituba.
A matéria prima em questão como citado anteriormente é composta essencialmente de quartzo, o qual pode apresentar impurezas como óxidos de ferro, minerais pesados e argila. A granulometria deste material é tipicamente entre 0,5 e 0,1 mm, resultado da desagregação natural. Portanto, algumas diferenças podem ser encontradas, conforme suas propriedades físicas e químicas, sendo que as que exibem melhor qualidade são aquelas que foram produzidas a partir de sedimentos arenosos, arenitos e quartzitos e que tiveram mudanças em sua formação devido os ciclos de deposição e erosão (LUZ; LINS, 2008).
Figura 1: Estrutura cristalina da sílica (quartzo) em temperatura ambiente
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A sílica pode ser encontrada na natureza de duas formas: amorfa e cristalina.
A amorfa é representada pela diatomita que consiste de uma matéria prima mineral de origem sedimentar, constituída a partir do acúmulo de carapaças de algas diatomáceas que se fossilizaram ao longo de períodos geológicos, pela deposição da sílica sobre sua estrutura (FRANÇA E SILVIA, 2002 apud LUZ; LINS, 2008, p. 107).
A sílica cristalina pode ser encontrada, relativamente pura, na forma de cristal de rocha, veio de quartzo, areia não consolidada e consolidada como arenito e quartzito. Pode ainda ser encontrada em outras formas, tais como: ágata, calcedônia, perlita, tripoli, sílex etc. (HANSON, 1995 apud LUZ; LINS, 2008, p. 107).
Segundo Ruiz (2013) a produção de areia industrial no Brasil ocorre fundamentalmente segundo coberturas sedimentares arenosas friáveis, com uma contribuição subordinada de outras variedades de substâncias minerais como quartzitos e silexitos (rochas metamórficas e magmáticas). Desta forma dependendo de onde se aplique o produto, faz-se necessário a moagem para a adequação granulométrica.
Figura 2: Areia de sílica no formato microscópio.
Fonte: do autor, 2018.
2.2 LAVRA
Lavra nada mais é que extração do material em questão para ser levado ao beneficiamento. Dependendo de onde o material esteja depositado, se faz necessário o uso de dragas flutuantes, isso para locais cobertos por uma pequena lamina d’água. Quando se
encontram em depósitos mais compactos e com maior rigidez a tubulação de sucção é equipada com uma cabeça cortadora, de forma a facilitar a escavação do material, nas frentes de lavra, abaixo da lâmina d’água. (COELHO, 2009).
De acordo com Ferreira e Daitx (2003), quando a areia se encontra em locais de melhor acesso, ou seja, em locais não consolidados ou pouco consolidados, a lavra é conduzida com o auxílio de escavadeira hidráulica e pá carregadeira. A areia lavrada é estocada em pilha e, a seguir, alimentada em unidade de processamento.
Atualmente o processo de lavra na empresa onde foi desenvolvido o projeto, a metodologia que se encaixa neste caso é a de depósitos de areia não consolidados que se encontram, na sua maioria, acima do lençol freático. A lavra é feita com o auxílio de uma escavadeira hidráulica, e caminhões que realizam o transporte da matéria prima até a planta de beneficiamento, onde é estocada em pilhas, aguardando processamento.
2.3 BENEFICIAMENTO
De maneira genérica, o beneficiamento do material arenoso para obtenção de areia industrial visa à retirada de impurezas, de frações sem utilização econômica e das frações síltico-argilosas. Visa também à classificação das areias em várias faixas granulométricas adequadas às suas diversas aplicações industriais (vidro, fundição, etc.). O principal material a ser retirado corresponde à fração síltico-argilosa, a qual é indesejável na produção de moldes de fundição, e também por representar uma fonte de contaminação de alumínio, ferro e álcalis, na fabricação de vidros especiais e de produtos químicos. Essa fração síltico-argilosa pode representar até 20% do minério (FERREIRA, 1995).
Para o beneficiamento do material em questão é necessário seu peneiramento, para retirada de material mais grosseiro, seguindo para tanques de atrição com soda cáustica, onde ocorre a lavagem propriamente dita. Passa por hidrociclones, classificador e tanques de classificação, com intuito de retirar os grãos mais finos. Posteriormente são desaguados, com auxilio de torres no pátio, para retirada do excesso de umidade ao natural. Por fim é secado com um secador de leito fluidizado, dando origem ao produto genérico denominado areia-base.
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2.4 HISTÓRICO DO PROCESSO DE FUNDIÇÃO
Por volta do ano 7.000 a.C na Ásia Ocidental, mais precisamente na região da Anatólia teve-se os primeiros indícios de manipulação de metais. No terceiro milênio a.C as técnica de fundição eram frequentes no Egito e na Suméria. Já no segundo milênio a.C a indústria metalúrgica se fazia presente por todo o Mediterrâneo Oriental (MEDEIROS, 2009). Em meados do ano 1700 a.C. os hititas deram o ponta pé inicial na produção de peças de ferro fundidas em fornos utilizando o método de cera perdida. Dessa forma, por volta de 1000 a.C. começa a chamada Idade do Ferro. (MEDEIROS, 2009).
No Brasil, o primeiro registro de fundição que se tem acesso é por volta do ano de 1600. Essa atividade foi trazida junto com a colônia portuguesa que aqui se instalou. (MEDEIROS, 2009).
Com o passar do tempo, a demanda de ferro fundido aumentou, devido à necessidade do material na construção de linhas férreas. Durante o período colonial a Coroa portuguesa construiu uma série de altos fornos no Brasil (FEAM 2015).
Somente com a chegada da indústria automotiva e o desenvolvimento da construção civil, que a indústria de fundição passou a ganhar força no país. Desde então, esse setor passou a desempenhar importante papel no desenvolvimento da indústria nacional (FEAM 2015).
Segundo ABIFA (2016), a indústria de fundição (peças em ferro, aço e ligas não ferrosas) fazem parte de um importante segmento da economia nacional, empregando cerca de 56.000 trabalhadores, com um PIB próximo de 6 bilhões de dólares.
A maioria das empresas desse ramo é de pequeno e médio porte, e têm como característica principal o uso intensivo da mão de obra e matéria-prima de origem nacional, o que lhes conferem certa independência do mercado externo. Essas indústrias geram um número significativo de empregos diretos e indiretos na cadeia produtiva de fundição, e devido às exportações crescentes, não importando insumos, contribui positivamente com a balança comercial do Brasil (SCHEUNEMENN, 2005).
2.5 PROCESSO DE FUNDIÇÃO
Para fabricação dos moldes para peça metálicas na indústria de fundição, é utilizado como principal material para confecção destes, a areia de quartzo. Ela tem
características como, resistência à elevadas temperaturas, resistências mecânicas e químicas com as quais são submetidos os moldes desde o vazamento do metal fundido até a solidificação das peças produzidas (NAVA, 1997 apud LUZ; LINS, 2008).
Suas propriedades físicas dependem de fatores, como os tipos de metal e de produto a ser fundido e qual aglomerante será usado. Atualmente utilizam-se areias lavadas, com alto teor de sílica, apresentando uma distribuição granulométrica estreita e grãos com alta esfericidade. O agente ligante, uma argila ou resina, é misturado à areia para a fabricação do molde. Nas fundições da região Sul, os ligantes mais utilizados são as resinas fenólicas.
Para que o produto obedeça os padrões de qualidade, as fundições controlam os parâmetros da areia (matéria prima), tais como pH, permeabilidade, módulo de finura (AFS), teor de finos e perda fogo. Essas análises são necessárias para evitar possíveis problemas com as peças fundidas. Cada parâmetro é de fundamental importância no processo de moldagem e influencia diretamente nas características do molde.
O processo produtivo de fundição consiste, basicamente, em encher com metal líquido a cavidade de um molde, cujas dimensões e formas correspondem às dimensões em que se deseja obter a peças. Após a solidificação e o resfriamento do metal, têm-se peças com formas e dimensões quase definitivas. O processo de fundição consiste nas seguintes etapas: confecção (fabricação dos modelos, moldes e machos), fusão, vazamento, desmoldagem, rebarbação e acabamento (FEAM 2015). A Figura 3 apresenta o fluxograma simplificado do processo produtivo da fundição.
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Figura 3: Processo de fundição
Fonte: do autor, 2018.
2.6 MODELAGEM
No projeto de uma peça fundida, inicialmente se faz o desenho da peça para assim seguir para construção de um modelo. Os modelos, segundo Carnin (2008), são as réplicas perfeitas das peças metálicas a serem produzidas, os quais podem ser produzidos por diversos tipos de materiais como isopor, madeira (Figura 4), plástico ou metal.
Figura 4: Modelo de madeira.
2.7 MOLDAGEM
Para modelagem utiliza-se um material refratário, geralmente uma areia silicosa e um material aglomerante com a finalidade de confeccionar moldes e núcleos (SIEGEL, 1978). Conforme Carnin apud Campos Filho (1978), a mistura de areia e aglomerante é compactada nos modelos conforme Figura 5.
Figura 5: Confecção de molde de areia em modelo de madeira.
Fonte: do autor, 2018.
Segundo Peixoto (2003), 80% das peças metálicas na indústria de fundição são obtidas com a utilização de moldes de areia, sendo areia de sílica o principal tipo de material usado. Após os moldes resfriarem, estes são destruídos para a retirada da peça metálica.
Segundo Ihobe (2000), subsequentemente ao vazamento do metal líquido se obtém as peças com o formato do molde. Por conseguinte, o mesmo acontece com os núcleos que são os elementos inseridos no molde com objetivo de originar vazios em zonas de difícil execução direta no molde. O molde é uma peça em areia que formará as partes externas de uma peça fundida enquanto que os núcleos são peças em areia que formarão as partes internas.
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Figura 6: Produção de núcleos.
Fonte: Peixoto, 2003.
Para o molde fabricado com areia se faz necessário a utilização de aglomerantes que são responsáveis pela resistência mecânica dos moldes permitindo a fidelidade da peça metálica ao modelo do projeto do fundido. Dentre algumas características pelas quais os aglomerantes são responsáveis, podem ser citadas:
Resistência a frio: resistência do molde em temperatura ambiente, necessária para o manuseio do molde;
Tempo de cura: tempo em que pode se extrair o modelo sem danificar o molde; Resistência a quente: resistência necessária ao molde durante o vazamento do metal liquido.
Segundo Ihobe (2000), o molde deve apresentar características que aparentam ser opostas, pois necessita resistência o suficiente para que não se rompa ao receber o metal líquido e ao mesmo tempo ser frágil no final da operação para não dificultar a realização do desmolde.
2.8 AREIA RESIDUAL DE FUNDIÇÃO
Apesar de a areia natural ser a base da areia de fundição, no momento em que entra no processo produtivo é transformada em areia de moldagem e marcharia. Desta forma os aditivos nela inseridos a tornam um resíduo com composições químicas completamente diferentes após a desmoldagem (NUNES, 2013).
No processo de desmoldagem, restam os resíduos do molde e dos machos, denominado como areia residual de fundição, em forma de torrões (Figura 7).
Figura 7: Torrão de areia residual de fundição
Fonte: do autor, 2018.
Geralmente as fundições fazem uso de recuperadores de areia, onde a areia residual em forma de torrões é britada/recuperada e reinserida na etapa de moldagem. Essas recuperações são feitas até a saturação da areia. Desta forma após o excessivo reuso, a areia deixa de ter suas características, o que inviabiliza sua reinserção no processo de moldagem, sendo assim descartada definitivamente em aterros, gerando um passivo ambiental considerável (MARIOTTO, 2001).
De acordo com Silva (2012), a quantidade de areia que é reutilizada no processo de fundição não ultrapassa 15% do total de resíduo de areia gerado anualmente devido ao aumento no teor de finos (particulados menores e poeiras) proveniente do processo de regeneração mecânica sofrido pela areia, aumentando a área superficial dos grãos de areia e, consequentemente, para serem mantidos níveis aceitáveis de resistência mecânica, torna-se necessário aumentar a quantidade de ligante (resina) e de catalisador na mistura. O aumento no teor de finos é inevitável, portanto, para a reutilização, tornar-se necessário um incremento do consumo de resina.
2.9 RESINA FENÓLICA
Os produtos orgânicos usados como aglomerantes na indústria de fundição geralmente são resinas fenólicas, furânicas ou ainda alquidicas que curam em temperatura ambiente sob a ação de catalisadores. Durante esse processo ocorre a polimerização das moléculas que estão envolvendo os grãos de areia mantendo-os fortemente unidos (IHOBE, 2008).
As denominadas resinas fenólicas ou resinas fenol-formaldeído são sintetizadas por meio de uma reação entre fenol e formaldeído resultando em uma resina termofixa. Esta
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resina é considerada a primeira resina sintética produzida, tendo mais de um século de processamento (PILATO, 2010).
Para síntese da resina citada acima, existem duas rotas que levam a sua obtenção. Segundo Pilato (2010), uma delas produz a resina conhecida como resol que faz uso de um catalisador alcalino, com excesso de formaldeído em relação ao fenol. Já a outra rota vai produzir o que se conhece como novalaca onde se utiliza um ácido como catalisador, e excesso de fenol em relação ao formaldeído (SEYMOUR e CARRAHER, 1992). Dar-se-á ênfase a resina resol, a qual foi utilizada para realização do tema proposto.
Na síntese da resina resol o fenol se encontra como ânion em ressonância estável devido ao meio básico (STEVENS, 1999 apud LANGBEHN 2016), como é demostrado na Figura 8 (a). A síntese ocorre por meio de reações de adição e condensação em duas etapas.
Na primeira etapa ocorre uma reação de adição do ânion com o formaldeído gerando hidroximetilfenóis orto- e para-substituídos, mostrado na Figura 8 (b). Como o fenol é altamente reativo são gerados hidroximetilfenóis mono, di e tri substituídos. A segunda etapa consiste em uma reação de condensação com liberação de água entre os hidroximetilfenóis e dos hidroximetilfenóis com o fenol restante gerando uma ponte de metilenos que ligam os anéis benzênicos, mostrado na Figura 8 (c). A segunda etapa ocorre apenas em temperaturas entre 60°C e 100°C formando um pré-polímero (STEVENS, 1999; CHRISTIANSEN e GOLLOB, 1985 apud STEVENS, 1999).
Figura 8: Etapas de polimerização da resina fenólica alcalina Resol. (a) (b) (c) Fonte: Stevens, 1999.
Dependendo das condições de pH e a proporção entre fenol e formoldeído durante a reação, outros intermediários são formados (CHRISTIANSEN e GOLLOB, 1985 apud LANGBEHN). Para que a cura se complete a temperatura deve estar acima de 130°, formando um polímero altamente reticulado, conhecido como Resite (SEYMOUR e CARRAHER, 1992). A estrutura final é mostrada na Figura 9.
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Figura 9: Estrutura da resina Resite após a polimerização completa da resina fenólica alcalina Resol.
Fonte: Stevens, 1999.
A utilização da resina fenólica na produção dos moldes de areia em processo de fundição ocorre porque esta confere um melhor acabamento na peça e uma boa resistência no molde, ganhando importância nos processos atuais de fundição. Contudo, após o uso é realizada a desmoldagem da peça, momento em que a areia é contaminada com a resina fenólica (ABIFA, 1999; MARIOTTO, 2000 apud SCHEUNEMAN, 2004, p. 3466).
Embora a resina fenólica contamine a areia na etapa de desmoldagem, seu uso ainda continua sendo crucial para obtenção da peça.
2.10 CATALISADOR
Os catalisadores geralmente são aminas terciárias, por apresentarem uma maior basicidade e consequentemente uma maior velocidade na polimerização. No caso da necessidade de usar as aminas na forma de gás, as mais utilizadas são a trietilamina e a dimetiletilamina. (PEIXOTO, 2003. VILLAR, 2004)
A cura do sistema se dá pela reação do sistema fenol – isocianato catalisado por uma amina que pode ser adicionada através de vaporização ou ainda na forma liquida, formando um polímero uretânico termofixo.
2.11 CLASSIFICAÇÃO DOS RESÍDUOS
Segundo ABNT (2004), a classificação de resíduos sólidos é estabelecida pela norma NBR 10.004. Os sólidos serão divididos em duas classes conforme os riscos potenciais
que podem inferir a saúde pública, bem como ao meio ambiente. Na Classe I, ficam os resíduos considerados perigosos, uma vez que apresentam características como inflamabilidade, corrosividade, além de que são reativos e tóxicos. Já a Classe II divide-se em outras duas subclasses, grupo A e B. Na Classe II A se enquadram os resíduos não inertes, que podem ser solúveis em água e biodegradáveis. Na Classe II B, ficam os resíduos que passaram por testes de solubilidade e não foram solubilizados a concentrações maiores que os padrões de potabilidade de água.
Dependendo de como são confeccionados os machos ou molde no processo de fundição, pode-se classificar esta como classe I ou II A. Segundo Oliveira (2007) isso ocorre devido duas possíveis fontes de contaminação, as resinas do sistema aglomerante que podem conter constituintes orgânicos ou inorgânicos, tais como fenol, silicato de sódio, entre outros, e a presença de metais pesados, originários da etapa de vazamento.
2.12 DEPOSIÇÃO DOS RESÍDUOS
Após o processo de fusão, os moldes são quebrados e triturados de forma a retirar a peça metálica fundida, e a areia é destorroada através de peneiras vibratórias. Em seguida, acaba sendo armazenada nas próprias fundições ou sendo enviada para aterros controlados (ABIFA,1999).
Para que a quantidade total de areia se mantenha em constante processamento na fundição, é necessário adquirir areia nova e descartar regularmente uma quantidade de ADF. O constante descarte de ADF em aterros sanitários afeta adversamente o ambiente dessas áreas e também de seus arredores.
Geralmente, as areias para descarte são encaminhadas para os aterros industriais das cidades de Joinville ou Blumenau. O trajeto para transporte destas cargas com rejeitos até chegarem ao seu destino, é bastante longo, o que se torna um problema, uma vez que colocam em risco os usuários de rodovias. Outra complicação que pode ser destacada, e que é decorrente do descarte dessa areia, diz respeito ao fato de as resinas fenólicas contaminantes serem solúveis em água, fazendo com que as mesmas atinjam os lençóis freáticos nas áreas dos aterros.
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3 METODOLOGIA DA PESQUISA
3.1 MATERIAIS E MÉTODOS
A metodologia desenvolvida teve como objetivo caracterizar e reutilizar a areia proveniente do processo de moldagem da peça de fundição.
3.1.1 Amostragem e redução da amostra
A amostragem da areia rejeitada de fundição (areia fenólica) foi feita diretamente no pátio. Com o auxílio de um amostrador, coletou-se cerca de 2 kg de amostra, sempre em sentido circular ao redor da bica de areia para garantir a representatividade da amostra.
Com intuito de reduzir a amostra, empilhou-se a areia no formato de cone, para permitir que a cada pazada, o material conseguisse escoar sobre a pilha até embaixo, com conformidade em todas as direções. Em seguida, espalhou-se o cone em uma pilha circular usando uma pá ou uma espátula, dependendo do tamanho da pilha. Alargou-se o círculo gradualmente em todas as direções de forma igualitária até que o material estivesse espalhado a uma espessura uniforme. Dividiu-se a amostra em quatro partes, e rejeitou-se as duas partes opostas. As duas partes restantes foram misturadas.
Figura 10: Método de divisão de cones em quatro partes.
Fonte: SIBELCO, 2011.
3.1.2 Lavagem
Para lavagem, se fez necessário 500 gramas de areia descartada de fundição, devidamente quarteada para ter melhor representatividade da amostra. Posteriormente colocou-se a amostra em um béquer de plástico de 1L com 400mL de água, e com auxilio de uma pipeta adicionou-se 6 gotas de soda cáustica (50%). Por conseguinte, a amostra foi deixada em atrição em um agitador elétrico por 5 minutos (Figura 11). Ao final da agitação
deixou-se o béquer contendo a amostra em repouso para que a água e o sobrenadante escoassem, restando apenas a areia. Repetiu-se essa etapa até que a água sobrenadante saísse o mais limpa possível, e o pH estivesse menor ou igual a 7.
Figura 11: Atrição lavagem.
Fonte: do autor, 2018.
Ao final da lavagem, em um chapa de aquecimento secou-se a amostra, e em seguida foram realizados alguns ensaios. Com intuito de retirar o material grosseiro e também os finos da matéria prima, a amostra foi passada por uma peneira mesh 20, seguindo por uma peneira mesh 140.
3.1.2.1 Ensaio Granulométrico
Visando a determinação do módulo de finura, conforme a norma americana, adotada pelas fundições (ABIFA, 1999) - AFS (American Foundry Society) - realizou-se a distribuição granulométrica em peneiras.
No aparelho Granuteste empilhou-se 10 peneiras, em ordem decrescente de abertura das malhas, com 12, 30, 40, 50, 70, 100, 140, 200 e 270 mesh mais um prato de fundo que recolhe a fração contendo as partículas mais finas do material. Quarteou-se a amostra para reduzir esta até 50 gramas, e despejou-se sobre a pilha das peneiras, deixando-as em agitação por 15 minutos.
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Figura 12: Ensaio granulométrico.
Fonte: do autor, 2018.
Ao fim da agitação, pesou-se o retido em cada uma das peneiras, e multiplicou-se o valor por 2 para obter os resultados em fração de 100%. O módulo de finura foi obtido multiplicando a porcentagem retida em cada peneira pelo fator de multiplicação correspondente e em seguida, fez-se a soma dos respectivos resultados.
Tabela 1: Fatores de multiplicação.
Malha ASTM Brasil Abertura (mm) Fator
6 3,350 3 12 1,700 5 20 0,850 10 30 0,600 20 40 0,425 30 50 0,300 40 70 0,212 50 100 0,150 70 140 0,106 100 200 0,075 140 270 0,053 200 Fundo - 300 Fonte: SIBELCO, 2011.
3.1.2.2 Ensaio de pH
Em um béquer de 250 mL adicionou-se 25 gramas de amostra de areia e 100mL de água deionizada com pH 7. Deixou-se agitando por 5 minutos em um agitador magnético, introduziu-se o eletrodo no sobrenadante da solução e efetuou-se a leitura do pH.
Figura 13: Determinação de pH.
Fonte: do autor, 2018.
3.1.2.3 Ensaio de perda ao fogo - PF
A fim de monitorar o teor de materiais orgânicos, de água de cristalização e de carbonato de cálcio presentes na areia, prevenindo defeitos causados por gases oriundos dos processos industriais aos quais a areia é submetida, realizou-se o ensaio de perda ao fogo.
Calcinou-se um cadinho de cerâmica a 1000°C por uma hora em forno tipo mufla. Ambientou-se o cadinho, pesando e obtendo o P1. Colocou-se 10g de amostra de farinha de sílica, obtendo-se o P2. Calcinou-se o cadinho mais a amostra por duas horas. Após devida ambientação, pesou-se novamente o cadinho mais amostra, obtendo-se o P3. Aplicou-se a
fórmula x 100 ) P1 -P2 ( ) P3 -P2 (
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3.1.2.4 Ensaio de permeabilidade
Para realização do ensaio foi necessário 150 g de areia de fundição. A amostra foi devidamente pesada e transferida para um tubo de cilindro com parte inferior fechada com tampa permeável, e após a transferência da amostra o mesmo foi fechado com tampa superior. Em seguida a amostra foi compactada em um martelete (Figura14) e levada ao permeâmetro (Figura 15) para a realização do ensaio da permeabilidade.
Figura 14: Martelete.
Figura 15: Permeâmetro.
Fonte: do autor, 2018.
3.1.3 Preparação dos corpos de prova de areia
As misturas de areia, resina e catalisador foram feitas com o auxílio de uma batedeira planetária (Figura 16) conforme a norma CEMP 182/2003. A mistura foi realizada com uma proporção de 1,35% em massa de resina e 25% em massa da quantidade de resina de catalisador, ou seja, no estudo em questão, utilizou-se, 1kg de areia, 20g de resina e 5g de catalisador.
Primeiramente foi adicionada apenas a areia na batedeira e misturada por dois minutos em velocidade média para homogeneização. Em sequência, foi adicionada a resina, e misturada por mais 2 minutos em velocidade alta para total dispersão da mesma na areia. Por último, foi adicionado o catalisador e misturado por mais 1,5 minutos.
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Figura 16: Batedeira planetária utilizada para confecção das misturas de areia.
Fonte: do autor, 2018.
As misturas prontas passaram para a etapa de moldagem onde foram transferidas para uma caixa de macho contendo oito cavidades com o formato padrão dos corpos de prova para ensaio de tração, de acordo com a norma CEMP 162/2003, com preenchimento manual das cavidades.
Após a cura parcial dos corpos de prova, os mesmos foram retirados do molde para posteriormente passarem pelo ensaio de tração. A Figura 17 mostra a caixa de macho utilizada para confecção dos corpos de prova de areia.
O procedimento foi realizado utilizando 100% de areia virgem, 100% de areia de fundição recuperada (lavada), com 50% de areia virgem e 50% de areia recuperada, e com 70% de areia recuperada e 30% de areia virgem. Em todas as composições, foram utilizadas a resina a temperaturas ambiente de 25°C.
Figura 17: Caixa de macho para confecção de corpos de prova para ensaio de tração.
Fonte: do autor, 2018.
3.1.4 Ensaios de tração
Os ensaios de tração dos corpos de prova foram realizados utilizando uma máquina para ensaio de tração de corpos de prova de areia modelo MRUD da Tecnofund (Figura 16). Os ensaios foram realizados com 1 hora após a confecção dos corpos de prova, para avaliação do comportamento das formulações em um curto espaço de tempo após a moldagem. Foram realizados também ensaios após 2, 3 e 7 horas, a fim de determinar a resistência final do molde após a cura total das resinas.
Figura 18: Equipamento para ensaio de tração.
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3.1.5 Confecção do molde
Para confecção do molde foram usados 2 kg de areia beneficiada, 40 gramas de resina fenólica comil 9040 e 10 gramas de catalisador triacetina Denver.
Inicialmente a areia descartada de fundição (beneficiada) foi homogeneizada com uma batedeira orbital no período de 2 minutos. Em sequência foi adicionado a resina fenólica juntamente com a areia, e misturada com batedeira orbital por mais 2 minutos. O mesmo procedimento foi feito, ao adicionar o catalisador. Por fim a amostra é colocada na forma de madeira, demostrada na Figura 19, por um tempo de 5 horas para ter a cura necessária.
Figura 19: Modelo do molde.
Fonte: do autor, 2018.
3.1.6 Envasamento do metal no molde
O metal utilizado para o envase foi o aço SAE 1030, como é comercialmente conhecido. Assim para sua utilização, foi necessário fundir o material a uma temperatura de aproximadamente 1630°C.
Ao atingir a temperatura necessária o material foi envazado e coberto com pó exotérmico, e em seguida resfriado a temperatura ambiente, e desenformado.
Figura 20: Fundição do aço.
Fonte: do autor, 2018.
Figura 21: Aço sendo envazado no molde.
Fonte: do autor, 2018.
3.2 ANÁLISE DOS DADOS E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
Nesta seção, serão apresentados os resultados das análises dos dados, associando à discussão, com o levantamento bibliográfico, e outras normas que se fizerem necessárias.
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3.2.1 Amostragem e redução da amostra
Conforme método proposto realizou-se a amostragem e o quarteamento das amostras de areia residual do processo de fundição em aço – ADF. A amostra apresenta uma cor preta e alguns torrões e metais, conforme a Figura 22.
Figura 22: ADF da areia bruta.
Fonte: do autor, 2018.
Segundo ABIFA (1999), conforme a NBR 10004:2004 (ABNT), a ADF é classificada, geralmente, como classes I (perigosos) e II-A (não perigosos, mas não inerte), devido à presença de ligantes químicos (resinas) e metais do processo de fundição.
3.2.2 Lavagem
Simulando o processo de lavagem da empresa, e conforme a descrição dos métodos, as amostras de ADF foram lavadas. A areia obtida após esse processo é chamada de ADF beneficiada, uma vez que está livre de torrões e metais, e apresenta uma leve alteração em sua cor. Na Figura 23, pode-se observar que a areia está um pouco mais clara que a ADF bruta.
Figura 23: ADF areia bruta/ ADF areia beneficiada.
Fonte: do autor, 2018.
3.2.2.1 Ensaio granulométrico
Realizou-se a distribuição granulométrica, conforme a norma adotada pelas fundições em geral, determinando-se o módulo de finura AFS das amostras.
Areia "virgem" é a areia natural sem adição de resinas e aditivos no processo de fundição, ADF bruta é a areia residual de fundição, e a ADF beneficiada é a ADF bruta devidamente lavada conforme descrito na metodologia.
Tabela 2: Médias de distribuição granulométrica.
Mesh Areia "virgem" ADF Bruta ADF Beneficiada
12 0 0 0 20 0 0,22 0,04 30 0,50 0,90 1,10 40 4,46 2,62 6,64 50 34,24 32,20 40,22 70 50,28 43,40 38,52 100 8,74 12,50 11,18 140 1,40 7,52 1,80 200 0 0,50 0,04 270 0 0,14 0 Fundo 0 0 0 AFS 47,97 52,79 47,46 Finos 0 0,64 0,04 Fonte: do autor, 2018.
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O módulo de finura AFS - American Foundry Society - é uma média ponderada do tamanho das partículas presentes na areia, considerando um fator multiplicador para cada peneira. A soma dos produtos gerados pela multiplicação do percentual de areia de cada peneira pelo seu fator correspondente, dividido pelo percentual total corresponde ao módulo de finura. A especificação da empresa determina que, para o processo de moldagem empregado, este valor deve ficar entre 45 e 50.
Estando na faixa adequada, a areia analisada poderá ser utilizada na confecção dos moldes.Para o teor de finos, somam-se o percentual de areia retida nas duas últimas peneiras e no prato. Pela especificação, este não deve ultrapassar 0,45%, pois partículas muito refinadas diminuem a permeabilidade de gases, além de aumentar a quantidade de resina necessária para a fabricação do molde, sem aumentar a resistência do mesmo.
Pode se observar através do ensaio granulométrico, que o módulo de finura AFS aponta a saturação da areia provinda do descarte de fundição, visto que o teor de finos é relativamente grande. A confecção de novos moldes, portanto, é inviável, pois além de maior fragilidade na peça, em sua fabricação o dobro de resina deveria ser usado. Enquanto isso, para a ADF beneficiada, o processo de lavagem se mostra muito eficiente em termos de redução de finos, apresentando um valor aproximado de 92,30%, tornando-a dessa forma semelhante com a areia “virgem”.
3.2.2.2 Ensaios de pH
A determinação de pH esta expressa na tabela a seguir. Desta forma foram obtidas 3 resultados para cada percentual de areia, e assim feito sua média.
Tabela 3: Determinação de pH.
pH (ADF beneficiada)
Concentração ADF Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Média (%)
0% (“virgem”) - - - 6,82 50% 6,82 6,86 6,85 6,84 70% 6,86 6,86 6,86 6,86 100% (“lavada”) 6,89 6,92 6,84 6,88 Bruta 8,14 8,11 8,12 8,12 Fonte: do autor, 2018.
Para bom desempenho da resina e do catalisador, são necessários alguns requisitos como, temperatura, tempo de banca e pH da areia etc.
O pH se torna crucial, pois quanto maior for este, maior a dificuldade da resina de se ligar a areia, o que aumenta seu tempo de cura. Assim se faz necessário a utilização de uma quantia maior de resina o que pode encarecer o produto. Com base nos resultados obtidos sabe-se que a média do pH da ADF beneficiada encontra-se dentro do que é estabelecido (6,1 e 7,1).
3.2.2.3 Ensaio de perda ao fogo - PF
Na Tabela 4, seguem os resultados obtidos de perda ao fogo para diferentes concentrações de ADF:
Tabela 4: Teor de perda ao fogo.
% Perda ao fogo (ADF beneficiada)
Concentração ADF Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Média (%)
0% (“virgem”) - - - 0,20 50% 0,35 0,36 0,34 0,35 70% 0,44 0,46 0,44 0,45 100% (“lavada”) 0,52 0,51 0,53 0,52 Bruta 1,0 1,12 1,10 1,07 Fonte: do autor, 2018.
Nos valores obtidos, observa-se a eficiência do processo de lavagem onde o material orgânico contido na areia bruta, com valores de 1,07 caem para 0,53 na ADF beneficiada. O resultado se enquadra dentro do padrão estabelecido pela fundição onde foram feito os ensaios que é de 0,90.
3.2.2.4 Ensaio de permeabilidade
A seguir, tem-se a tabela referente à permeabilidade. Os valores são encontrados em cm4 /g.m.
Tabela 5: Permeabilidade.
Permeabilidade (ADF beneficiada)
Concentração ADF Amostra 1 Amostra 2 Amostra 3 Média (%)
0% (“virgem”) 119 119 120 119 50% 117 116 117 116 70% 116 116 114 115 100% (“lavada”) 114 114 115 114 Bruta 92 91 94 92,3 Fonte: do autor, 2018.
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Esse ensaio mostra que quanto maior a quantidade de finos no material, menor permeabilidade irá apresentar. Logo a permeabilidade trata-se de uma resposta da granulometria do material. A pouca permeabilidade faz com que o gás liberado no momento do envasamento, tenha pouca liberdade para ecoar, o que pode vir a estourar o molde. Quando a permeabilidade é alta também há um problema, pois quando o gás escoa com muita facilidade entre os grãos, pode haver uma deformação da peça em questão. Estima-se uma faixa de 100 até 160 para que o produto esteja garantido dentro da especificação.
A areia recuperada apresenta valores de permeabilidade semelhantes da areia virgem o que nos permite afirmar que o produto não correrá o risco de deformar a peça na hora do envaze.
3.2.3 Ensaio de tração
Abaixo, seguem os resultados obtidos no ensaio de tração:
Tabela 6: Percentuais de areia beneficiada.
Percentuais de areia beneficiada
Tempo de cura Virgem 100% beneficiada 70% 50%
1h 28,8 25,92 18,72 14,4
2h 41,76 34,56 53,28 24
3h 77,76 72 72 32,2
7h 118 132,48 110,88 56,16
Fonte: do autor, 2018.
Conforme os dados descritos na tabela acima, observa-se que areia recuperada apresenta resistência tão boa quanto areia virgem o que viabiliza a tentativa de transforma-la em molde.
3.2.4 Confecção do molde para peça metálica
Para confecção do molde foram usados 2 kg de areia beneficiada, 40 gramas de resina fenólica e 10 gramas de catalisador. O resultado do teste é mostrado na Figura 24.
Figura 24: Molde para a peça metálica.
Fonte: do autor, 2018.
O molde confeccionado apresentava aparência firme, o que indica que obter-se-á bons resultados com envasamento do metal.
Fez-se a comparação entre os moldes das areias virgem e recuperada, o qual esta sendo demonstrado na Figura 25.
Figura 25: Comparativo entre os moldes de areia virgem (esquerda) e de areia.
Fonte: do autor, 2018.
Conforme pode ser observado acima, o molde de areia virgem sofreu uma rachadura. Isso se deve à expansão da sílica devido a alta temperatura do material metálico.
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Ainda fazendo um comparativo entre as duas peças, conclui-se que o desempenho da areia recuperada pode ser tão bom quanto areia virgem. Além disso, na areia recuperada não há a expansão da sílica em altas temperaturas, pelo fato de já ter sofrido essa expansão, dando ao projeto mais um ponto positivo.
3.2.5 Benefícios do uso de ADF no processo de moagem
A utilização desse resíduo como matéria prima para confecção de molde para peças metálicas demonstrou-se muito atrativa, pois se trata de um resíduo que não possui valor comercial, além de que há uma necessidade de encontrar um lugar adequado para sua destinação. Normalmente, situações como essa geram um gasto considerável para as indústrias de fundição. O descarte desse tipo de resíduo, na maioria dos casos, é feita em aterros sanitários, onde ocorre a saturação do mesmo, gerando um grande impacto ambiental.
A areia uma vez beneficiada e reutilizada reduz os impactos ambientais gerados pelo seu descarte, além de promover uma diminuição nos custos de produção, pois reduzirá os custos com aquisição e licenciamento de novas minas, reduzindo os impactos causados pela mineração e aumentando assim o seu tempo de vida útil.
4 CONCLUSÃO E RECOMENDAÇÕES
Apesar do pioneirismo em utilizar o processo de lavagem como saída para reutilizar a areia descartada de fundição, os resultados obtidos foram satisfatórios na tentativa de adequação desta com os requisitos estabelecidos. O problema de finos, que são os principais empecilhos das fundições, que impedem seu reuso, conseguiram ser sanados, onde os finos que eram 0,64 % caíram para ínfimos 0,04 % .
Quanto aos resultados da permeabilidade, a média dos valores referentes à areia beneficiada se mostraram bem próximos do valor de uma areia virgem, sendo estes 118 e 115, respectivamente.
Para os ensaios de perda ao fogo e pH, antes de passar pela lavagem os valores eram de 1,12 e 8,12, respectivamente. Já com esta beneficiada, os resultados caíram para 6,4 de pH e de perda ao fogo para 0,63 , o que comprova o potencial do processo de lavagem, aonde o enxágue com água e soda cáustica(50%) aliados a atrição, reduzem a quantia de material orgânico.
Por fim, teve-se grande sucesso com os testes de tração, estes que são o principal indicador da qualidade da matéria prima demostraram uma boa resistência do material, o que nos deu segurança para fazer a confecção do molde.
Com envasamento do metal no molde, conclui-se que a matéria prima desenvolvida é mais eficiente do que a areia virgem, pois a mesma não sofre expansão da sílica, ou seja, uma vez expandida, a sílica permanece no estado de expansão. Já areia virgem quando passa por grandes temperaturas pode apresentar rachaduras no molde devido essa expansão.
A utilização desse resíduo como matéria prima para confecção de moldes para peças metálicas demonstrou-se bastante importante. Esta trará reduções no custo de produção, uma vez que os custos com aquisição de novas minas diminuirá, no impacto ambiental causado pela mineração, e na deposição de ADF nos aterros.
Como sugestão para próximos estudos, propõe-se a utilização de areias com granulometrias diferentes, e com outros tipos de resina na aplicação de novos moldes; a projeção de um setor de lavagem com equipamentos capazes de aproveitar os finos da areia em questão para testes em frac sand e a aplicação da matéria prima na extração do frac sand.
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REFERÊNCIAS
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