Misturador de Mós Verticais com altíssima Performance para Areia de Moldagem a Verde ( * ) Arnaldo Romanus

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1 Misturador de Mós Verticais com altíssima Performance para Areia de Moldagem a Verde ( * ) Arnaldo Romanus Resumo Se o setor de areia a verde normalmente responde sozinho por cerca de 2/3 de todo o refugo bruto da fundição, pela maior parte da ocorrência de quebras de moldes e pela quase totalidade dos defeitos surgidos durante a usinagem das peças, a preparação inadequada das misturas, por si só, ocasiona no mínimo a metade de todos esses problemas. Diante disso, o presente trabalho, que é um complemento do apresentado em 14/12/2011 no site sob o título Planejamento Tecnicamente Correto de uma Central de Moldagem em Areia a Verde, mostra os passos básicos a serem seguidos para se estabelecer a regulagem ideal a ser implantada no misturador depois que tiver sido estabelecida a sua capacidade ideal, na condição de que a fundição utilize um equipamento tradicional com mós verticais. 1. Capacidade ideal do misturador Segundo sugestão apresentada pelo autor no trabalho publicado em 14/12/2011 no site sob o título Planejamento Tecnicamente Correto de uma Central de Moldagem em Areia a Verde, são os seguintes os principais passos que deveriam ser seguidos para se estabelecer a capacidade correta de um misturador: adotar o valor máximo da relação areia/metal dos diferentes tipos de peças a serem produzidos pela fundição; empregar uma densidade dos moldes de acordo com o sistema de pressão da máquina adquirida, isto é, 1,50 1,55 kg/l para moldagem de baixa pressão e até 1,65 kg/l em máquinas de altíssima pressão de trabalho; utilizar o volume útil máximo de cada molde (ou seja, subtraindo-se o volume de metal do volume total de cada molde); estabelecer a quantidade horária máxima de moldes viável de ser produzida; avaliar a provável perda por raspagem dos moldes, a qual, dependendo da máquina escolhida pela fundição, poderá vir a ser superior a 10 %; fixar as perdas existentes no circuito em 10 %; multiplicar as variáveis anteriores (relação areia/metal máxima, densidade dos moldes, volume útil máximo dos moldes, produção horária máxima de moldes, perda por raspagem e perda no circuito), de modo a se poder estabelecer a capacidade útil do misturador, a qual, por garantia, ainda deverá ter um acréscimo de 10 %. 2. Características ideais da areia a verde Considerando que, geralmente, qualquer fundição possui ao menos duas ou três características consideradas preponderantes de serem alcançadas na areia a verde para se ter poucos problemas e defeitos atribuíveis ao setor de moldagem, a seguir se esclarecerá o significado e/ou a importância de cada uma: ( * ) Engenheiro metalurgista. Diretor e sócio da Foundry Cursos e Orientação Ltda. e da Romanus Tecnologia e Representações Ltda. 1

2 compactabilidade (Cpt): é a principal característica para ser avaliada numa areia a verde, visto que não apenas é uma função do sistema de moldagem adotado pela fundição, mas também porque interfere nos resultados de todos os demais ensaios a verde e até mesmo na RTU (resistência à tração a úmido) e, possivelmente, também na RCQ (resistência à compressão a quente) Nota: máquinas de moldar de alta pressão poderão trabalhar até mesmo com Cpt ligeiramente < 40 %, enquanto que na moldagem por prensagem de baixíssima pressão se deverá ter Cpt consideravelmente mais elevada (50 55 %), com o sistema mecanizado convencional (impacto e compressão) e inclusive as máquinas de alta produtividade, mas que sejam de média pressão, tendo Cpt em torno de 45 %; umidade real: deverá ser correlacionada diretamente com o ressecamento, a quebra de cantos e a erosão dos moldes se for muito baixa (< 2,5 %) ou com defeitos gasosos (pinholes, bolhas de gás, bolsões de gás e penetração por explosão), com penetração metálica (entranhamento) e com sinterização de areia se for muito elevada (> 3,5 %); umidade em Cpt = 45 %: além de fazer parte da fórmula utilizada no cálculo da água livre, também serve para avaliar o comportamento geral da areia a verde, já que neste caso se pretende estimar o teor de umidade real que se teria se, porventura, a Cpt fosse exatamente de 45 %, que é considerada internacionalmente como a condição ideal de moldabilidade de uma areia a verde; permeabilidade: tanto um excesso quanto uma insuficiência dessa característica poderá conduzir a defeitos gasosos, no primeiro caso pelo fato do metal preencher muito rapidamente a cavidade do molde e na segunda situação em razão dos gases não terem velocidade suficiente para escaparem dessa mesma cavidade Nota: nos corpos de prova usuais de laboratório, a areia a verde destinada a máquinas de moldar de alta pressão deverá possuir cerca de 20 AFS a mais de permeabilidade do que a utilizada para os demais sistemas de moldagem, pelo fato de os moldes ficarem bem mais adensados e, portanto, naturalmente menos permeáveis no primeiro caso; RCV (resistência à compressão a verde): se for insuficiente, poderá resultar em quebras de bolos/cantos dos moldes, com a conseqüente ocorrência excessiva de rebarbas e inclusões de areia nas peças, além de também poder causar empenamento e inchamento nos fundidos, neste último caso inclusive com possibilidade de formação de rechupes; em contrapartida, se for elevada demais poderá ocasionar trincas a quente nas peças, além de os moldes apresentarem dificuldade de desmanchamento dos torrões após o vazamento do metal, geralmente também se tendo uma perda demasiada de areia de retorno no peneirador Nota: além disso, se o sistema de moldagem for de baixa pressão ou de sopro, pode-se vir a ter moldes fracos em determinados locais ao se trabalhar com RCV elevada demais na areia preparada, visto que então ela própria passa a oferecer resistência demasiada ao se adensamento e perda de sua fluidez; plasticidade: em excesso poderá resultar em variação dimensional e até mesmo em rechupe nas peças, enquanto que uma insuficiência dessa característica aumentará a possibilidade de ocorrência de quebras de bolos/cantos dos moldes e, portanto, também de rebarbas e de inclusões de areia nos fundidos; friabilidade: um valor excessivo dessa característica tem correlação direta com a ocorrência de quebras de cantos e de erosão dos moldes e, portanto, também com a formação de rebarbas e de inclusões de areia nas peças; 2

3 temperatura: embora o laboratório externo sempre receba a areia a verde já estando fria, é importantíssimo que a fundição avalie essa característica, visto que, se a mesma for > 45 o C, aumenta excessivamente a possibilidade de ressecamento dos moldes (e, portanto, também da ocorrência de quebras de bolos/cantos e de erosão dos mesmos, bem como de rebarbas e de inclusões de areia nas peças), além de permitir que se venha a ter uma forte condensação de umidade nos machos e/ou em coquilhas e até mesmo na cavidade dos moldes (com a conseqüente possibilidade de ocorrência de defeitos gasosos nas peças); RTU (resistência à tração a úmido) muito baixa (geralmente < 0,20 N/cm 2 ): a areia a verde apresenta uma elevada tendência ao aparecimento de defeitos de expansão nas peças, ou seja, rabos de rato e escamas, muitas vezes com a possibilidade de serem eliminados através do trabalho de rebarbação ou até mesmo por meio de jateamento intensivo com granalha de aço; todavia, na maioria das vezes as peças acabam sendo refugadas em função de outro defeito crítico oriundo dessa expansão: o de inclusões de areia; RCQ (resistência à compressão a quente): embora, até o momento, ainda não se conheçam valores ideais para essa característica, sabe-se que, se for muito baixa, poderá ocorrer o fenômeno da movimentação das paredes do molde durante o vazamento do metal, com o conseqüente surgimento de empenamento e/ou de inchamento das peças, sendo que no último caso o defeito em questão também poderá provocar rechupes pelo fato de já não mais haver volume suficiente de metal para alimentar a peça crescida Nota: embora faltem estudos nesse sentido, é possível que um excesso de RCQ possa resultar na ocorrência de trincas a quente em peças com paredes de pequena espessura; argila ativa: se for insuficiente (geralmente < 5,0 %) a areia a verde apresenta-se altamente tendenciosa ao ressecamento (ou seja, possui elevada friabilidade), além de possuir baixas resistências, com a conseqüente ocorrência de quebras de bolos/cantos e de erosão dos moldes, bem como de rebarbas, inclusões de areia, variação dimensional e até mesmo de rechupes nos fundidos; em contrapartida, se for elevada demais (normalmente > 8,0 %) acaba-se tendo um teor demasiado de umidade na areia a verde, o que não apenas dificulta o seu adensamento durante a confecção dos moldes resultando em penetração metálica (entranhamento) nos fundidos, mas também piora a incidência de defeitos gasosos e de sinterização nas peças; finos inertes : esses componentes são obtidos por cálculo, conforme segue: finos inertes = argila AFS argila ativa, devendo serem assim interpretados: - em excesso: incrementam demasiadamente a umidade ao nível de Cpt = 45 %, consequentemente piorando a ocorrência dos defeitos/problemas disso resultantes, além de aumentarem as tensões de compressão ocorridas nos moldes durante o vazamento do metal, podendo causar defeitos de expansão (rabos de rato e escamas) nos fundidos, o que, inclusive, poderá piorar a incidência de inclusões de areia nos mesmos; - em insuficiência: resultam em demasiado ressecamento da areia preparada e dos moldes já confeccionados, provocando ou piorando os defeitos disso provenientes, já que, nesta situação, normalmente se tem um aumento da friabilidade da areia a verde; voláteis: sendo insuficientes resultam em sinterização de areia e em mau acabamento dos fundidos, enquanto que em excesso provocam defeitos gasosos nos mesmos; 3

4 módulo de finura: tem correlação com o acabamento das peças, o qual melhora ao se trabalhar com areia base mais fina (ou seja, com um maior valor dessa característica), porém isso poderá resultar numa drástica queda da permeabilidade da areia a verde; teor de finos: um valor insuficiente (< 2,0 %) poderá causar o fenômeno da cavitação (ou seja, erosão) do molde durante o vazamento do metal, com a conseqüente piora da incidência de inclusões de areia nas peças; já um excesso dessa característica (> 3,5 %), além de reduzir a permeabilidade da areia a verde e poder gerar defeitos gasosos nos fundidos, aumenta as tensões de compressão ocorridas nos moldes durante o vazamento do metal, podendo provocar defeitos de expansão nas peças (rabos de rato e escamas), também piorando, portanto, a incidência de inclusões de areia nas mesmas; água livre : tem duas origens básicas, ou seja: - deficiência de mistura; - renovação insuficiente do sistema, porém sempre conduz a um excesso de umidade ao nível de Cpt = 45 % e aos defeitos e problemas disso resultantes, sendo obtida por cálculo, conforme segue: H 2 O l = {[(45 Cpt) / 50] + [U] [(0,3 x AA) + (0,15 x FI)]}, onde: H 2 O l = água livre (%) Cpt = compactabilidade (%) U = umidade real (%) AA = argila ativa (%) FI = finos inertes (%) = argila AFS (%) argila ativa (%), sendo que a primeira parte (positiva) da equação também serve para calcular a umidade ao nível de Cpt = 45 %. 3. Principais problemas das fundições Atualmente, com a performance inadequada que a maioria das bentonitas convencionais brasileiras e argentinas gera na areia a verde, são duas as características normalmente consideradas muito críticas durante ou logo após o vazamento do metal: permeabilidade muito baixa ao se utilizar areia base com módulo de finura adequado para gerar um bom acabamento nas peças, ocasionando defeitos gasosos (pinholes, bolhas e penetração por explosão); RTU (resistência à tração a úmido) insuficiente para evitar a ocorrência de defeitos de expansão (rabos de rato e escamas) se a fundição não vier a trabalhar com um teor muito elevado de argila ativa (e, portanto, também de umidade), porém neste último caso piorará a possibilidade de aparecimento de defeitos gasosos. 4. Metas de propriedades da areia a verde Com a finalidade de se poder atenuar simultaneamente a ocorrência de pinholes, bolhas de gás, penetração por explosão, inclusões de areia, escamas, entranhamento e sinterização de areia nas peças, entre outros defeitos, e visando alcançar igualmente um bom acabamento das mesmas, é de extrema importância que se consiga atingir principalmente as seguintes características na areia a verde, totalmente dependentes de uma ótima performance a ser gerada na mesma pelo misturador: compactabilidade: % no momento do uso da areia a verde, mesmo em se tratando de máquinas de moldar de alta produtividade; umidade: 2,5 3,0 % ao nível de 45 % de compactabilidade; 4

5 permeabilidade: mín. 100 AFS, principalmente em se tratando de moldagem em máquina de alta pressão; RTU (resistência à tração a úmido): mín. 0,25 N/cm 2 ; argila ativa: 6,0 7,5 %; voláteis: 2,2 3,2 % se for utilizado pó de carvão Cardiff ou 1,7 2,3 % mediante o emprego de PCA (pó de carvão aditivado), com ambas as faixas sendo válidas para o método de ensaio adotado pelo laboratório da empresa do autor; módulo de finura: AFS; teor de finos: 2,0 3,5 %. 5. Caracterização do misturador de mós verticais de altíssima performance Visto que existe a necessidade de não apenas se atingir simultaneamente todas as características detalhadas no item 4 anterior, mas que os seus valores deverão ser alcançados mediante o menor consumo possível de areia base, bentonita e aditivo carbonáceo, não tanto visando obter uma composição mais barata, mas principalmente com o objetivo de se exaurir com menor rapidez as reservas desses componentes e se descartar uma menor quantidade de areia de retorno em aterro industrial, é de extrema importância que o misturador possua uma ótima performance. Considerando que o presente trabalho trata de misturadores do tipo tradicional, ou seja, de mós verticais e que os convencionalmente existentes no mercado geralmente são de baixa produtividade, já que somente permitem alcançar as propriedades necessárias na areia a verde por meio de um longo ciclo de mistura (cerca de 8, resultando na preparação de menos de 10 cargas/hora), fica aqui o desafio a ser transmitido aos fabricantes desses equipamentos: como se deverá proceder para aumentar a sua capacidade produtiva para mínimo 20 ou até mesmo 25 cargas/hora sem prejuízo das propriedades necessárias de serem alcançadas na areia a verde? O autor é de opinião que se poderia gradativamente vir a desenvolver misturadores de mós verticais de altíssima performance se vierem a ser adotadas as seguintes providências por parte de seus fabricantes: 1º) dotar o equipamento de um variador de freqüência tal que se possa alterar a velocidade do eixo vertical das mós ao menos na faixa de rpm; 2º) permitir que haja uma fácil regulagem da altura das mós até o fundo do misturador na faixa de mm; 3º) instalar raspadores nas mós, de modo a evitar o efeito cone e atenuar o seu desgaste; 4º) instalar raspadores no fundo e na parede lateral do equipamento, visando impedir a aderência de areia a esses locais; 5º) dotar o equipamento de chapas de desgaste no fundo e na parede lateral, que possam ser facilmente substituídas pela equipe de manutenção da fundição; 6º) permitir a transferência de todos os componentes secos ao misturador no máximo em 15, que também deverá ser o tempo limite para descarregar toda a areia preparada; 7º) instalar um regulador de vazão de água de tipo tal que a mesma possa ser transferida à mistura de modo variável (5 30 ), com a própria fundição avaliando por meio de experiências o tempo considerado ideal, inclusive permitindo que a sua totalidade possa ser adicionada à areia em preparação em até 3 etapas; 5

6 8º) prever o espaço necessário para a instalação de um reservatório de água gelada a ser utilizada na preparação da areia a verde se esta vier a atingir temperatura > 45 ºC ao se empregar água normal; 9º) instalar um dosador de barras ou acessório equivalente na saída do misturador, de modo a evitar que a totalidade da areia preparada caia quase que instantaneamente sobre a correia transportadora; 10º) instalar na porta de descarga um mecanismo que impeça de a areia seca ou ainda não devidamente preparada ser transferida à máquina de moldar; 11º) fazer com que todos os componentes secos (inclusive a areia de retorno) sejam dosados gravimetricamente com precisão não inferior a 5,0 %, com a água podendo sofrer dosagem volumétrica, porém também com a mesma precisão. 6. Ajuste do misturador Uma vez o misturador tendo sido instalado, deve-se efetuar o ajuste das seguintes variáveis principais: altura das mós; velocidade do eixo vertical das mós; ciclo de mistura a ser definido pela fundição, incluindo: - mistura a seco preliminar, com a água sendo adicionada preferencialmente em duas etapas (mínimo 80 % logo na primeira vez, com o restante visando ajustar a compactabilidade desejada); - adição de água ocorrendo antes da transferência dos demais componentes ao misturador, porém numa quantidade tão somente suficiente para evitar a eventual fuga de materiais secos pela porta de descarga, com o restante da água vindo a ser adicionada à carga em preparação em mais duas etapas (semelhante à descrita para a mistura a seco preliminar ). Logicamente que, no decorrer da fase de testes do misturador, outras variáveis poderão vir a serem avaliadas, porém sempre se deverá ter por objetivo atingir as seguintes metas principais na areia a verde: RTU > 0,25 N/cm 2, simultaneamente com argila ativa < 7,5 %; permeabilidade > 100 AFS, que deverá ser alcançada com módulo de finura > 65 AFS; umidade < 3,0 % ao nível de 45 % de compactabilidade; água livre no menor teor possível; temperatura < 45 ºC ao término da preparação da carga, na condição de que a areia de retorno não tenha mais que 40 ºC ao ser transferida para o misturador. Embora, aparentemente, algumas dessas características não tenham muita dificuldade para serem atingidas, o verdadeiro desafio consiste em que todas venham a ser alcançadas simultaneamente; para tanto, existe a necessidade de que, para cada nova variável a ser avaliada, sejam analisadas não somente essas características consideradas fundamentais, mas também todas as demais citadas no item 2 do presente trabalho, o que certamente levará vários dias para se obter o ajuste imediato do misturador e mais algumas semanas para se otimizar todas as variáveis envolvidas para se poder então trabalhar com uma areia a verde de excelente performance. 6

7 Considerações finais Atualmente os misturadores convencionais de mós verticais geralmente possuem produtividade muito baixa para se poder atingir as características desejáveis na areia a verde. Desde que, todavia, venham a ser inseridos diversos ajustes nesse tipo específico de misturadores, existe plena possibilidade de se vir a associar a ótima performance da areia de moldagem normalmente gerada pelos mesmos com elevados tempos de preparação, porém agora também com alta capacidade produtiva. 7