Bentonitas em areias de moldagem (1)

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1 Bentonitas em areias de moldagem (1) Wilson Luiz Guesser (2) Isaías Masiero (3) RESUMO Apresenta-se um estudo sobre bentonitas em areias de moldagem, comparando-se bentonitas sódicas ativadas brasileiras com bentonitas sódica natural argentina, sódica natural americana e sódica ativada alemã. Verifica-se que bentonitas brasileiras apresentam, na preparação da mistura, maior dispersabilidade que bentonitas argentina e americana. A tendência a defeitos de fundição como escamas e penetração por explosão é maior com o uso de bentonitas brasileiras, discutindo-se alternativas para minimizar esta tendência. Discutem-se ainda resultados de durabilidade de bentonitas, mostrando-se que a durabilidade cresce na seguinte ordem das bentonitas sódicas: brasileira, alemã, americana e argentina. É apresentada ainda uma metodologia para estimativa do consumo de bentonita em areia de moldagem reciclada. ABSTRACTS A study about bentonites in molding sand is presented, comparing Brazilian bentonites (sodium activated) with Argentinean (natural sodium), North American (natural sodium) and German (sodium activated) bentonites. It was observed that, during mulling, the Brazilian bentonite shows a fast strength evolution than the Argentinean and the North American bentonites. However, the tendency to casting defects, like scabbing and explosion penetration are higher with Brazilian bentonites. Some means to reduce those tendencies are discussed. The thermal durability results show that the consumption increases in the following sequence of bentonites: Brazilian, German, North American and Argentinean. It is also presented a procedure to estimate the consumption of a bentonite in recycled molding sand. (1) Contribuição ao CONAF 2003, São Paulo. (2) - Engenheiro Metalurgista, Mestre em Engenharia, Doutor em Engenharia. Diretorgerente da Engenharia Metalúrgica da Tupy Fundições, professor da UDESC. (3) - Engenheiro Químico, coordenador de processos metalúrgicos da Engenharia Metalúrgica da Tupy Fundições, professor da UDESC.

2 1) Introdução: A indústria de fundição brasileira tem empregado, com sucesso, bentonitas de diversas procedências, ocorrendo ao longo dos anos algumas substituições. Assim, por exemplo, as bentonitas norte-americanas, cálcica e sódica natural, foram substituídas por bentonitas brasileiras (cálcica e sódica ativada) e argentinas (sódica natural). Atualmente ofertam-se bentonitas argentinas de diferentes procedências e fornecedores. Sabe-se que cada bentonita apresenta um conjunto único de propriedades, resultado de sua história geológica, e portanto a substituição de bentonitas ocorre sempre com alterações nas propriedades da areia de moldagem. Objetiva-se no presente trabalho discutir alguns resultados acumulados na Tupy Fundições, em especial os estudos efetuados em seu CPQD comparando-se bentonitas de diversas procedências. Estes estudos revelaram o efeito do tipo de bentonita sobre algumas importantes características da areia de moldagem, a saber: - Evolução de propriedades durante a preparação da mistura dispersabilidade da bentonita - Tendência a defeitos de fundição, em particular escamas e penetração por explosão. - Queima da bentonita devido ao ciclo térmico imposto pelo vazamento e solidificação da peça durabilidade da bentonita. Apresenta-se neste trabalho um resumo destes resultados, bem como da experiência prática utilizando-se as diversas bentonitas. 2) Tipos de bentonitas e teoria da ação ligante: A bentonita tem como principal constituinte o argilomineral denominado esmectita, e que pode ser entendido como constituído por uma partícula lamelar, muito fina e de grande área superficial (80 m2/g), e que tem um desbalanceamento de cargas elétricas. Este desbalanceamento é compensado pela adsorção de cátions existentes no ambiente (figura 1), e sua intensidade é medida pela capacidade de troca de cátions (CTC) da bentonita (1). A ligação entre as partículas de bentonita e entre elas e os grãos de areia é realizada pela ordenação de dipolos de água promovida pela presença das cargas elétricas (desbalanceamento da partícula e cátions) (figura 2) (2), de modo que estas ligações são tanto mais intensas quanto maior a CTC da bentonita (figura 3). A CTC pode ser medida de diversas maneiras, sendo usual em fundição a sua determinação pelo ensaio de adsorção de azul de metileno, realizado tanto em ensaios com bentonitas como para controle do teor de argila ativa em areia de moldagem (3). Figura 1 Representação esquemática das cargas negativas da esmectita (bentonita) e dos cátions trocáveis adsorvidos do ambiente.

3 Figura 2 Ordenação de moléculas de água pelos cátions trocáveis e partículas de esmectita (argilomineral da bentonita). A presença de ânions interfere nas pontes de ligação, reduzindo a resistência a úmido (2) RCV (N/cm2) Figura 3 Resistência à compressão a verde (a 45% compactabilidade) em função da adsorção de azul de metileno, para diversas amostras de argilas brasileiras. 5% bentonita, 20 min capacidade de troca de cátions (meq/100g) Campinas, SP Franca, SP Campina Grande, Pb Os cátions trocáveis encontrados nas bentonitas dependem do ambiente onde estas se formaram, destacando-se os cátions cálcio e sódio como os mais importantes. Vem daí as denominações de bentonita cálcica e bentonita sódica. Sabe-se que o sódio como cátions trocável resulta em interação com os dipolos de água em maior distância que o cálcio, ordenando os dipolos de água mesmo em situação de grande quantidade de água presente; deste modo, a resistência da areia de moldagem em condições de alta umidade (resistência à tração a úmido) é maior com o uso de bentonitas sódicas, comparado com bentonitas cálcicas (4,5). Os cátions podem ainda ser trocados por outros, sendo usual então a transformação industrial de bentonitas cálcicas em bentonitas sódicas (denominadas comercialmente de bentonitas sódicas ativadas, como distinção às bentonitas sódicas naturais). Esta reação é processada com carbonato de sódio, exigindo mistura e tempo de tratamento adequados (6).

4 No Brasil conhecem-se apenas reservas de bentonitas cálcicas. Estas bentonitas são então submetidas ao tratamento de troca de cátions. Estas reservas de bentonita localizamse na Paraíba, no município de Campina Grande. Na Argentina existem grandes reservas de bentonitas sódicas naturais, principalmente na província de Neuquén. Nos EUA encontramse reservas de bentonita sódica natural (Wyoming) e de bentonita cálcica (sul dos EUA) (figura 4). Campina Grande, Pb (cálcica) Wyoming, EUA (sódica) Neuquén, Argentina (sódica) Sul dos EUA (cálcica) Figura 4 - Localização das principais reservas de bentonita nas Américas. 3) Evolução das propriedades durante a preparação da mistura: As bentonitas oriundas de diversas procedências apresentam diferentes dispersabilidades durante a preparação da mistura, como pode ser visto na figura 5. Enquanto as bentonitas sódicas naturais (Wyoming-EUA e Neuquén-Argentina) apresentam lenta evolução de propriedades, as bentonitas brasileiras (cálcicas e sódicas tratadas) são de alta dispersabilidade. Diferenças de granulometria e teor de umidade dos lotes de bentonita não explicam estas diferenças, que parecem estar relacionadas principalmente ao grau de compactação dos agregados de bentonita. Estes agregados de bentonita apresentam-se compactos nas bentonitas argentina e americana, revelando fissuramentos e desagregação nas bentonitas brasileiras (figura 6), de modo que a sua desagregação é bastante rápida durante a preparação da mistura. Deste modo, a utilização de bentonitas sódicas naturais exige maior atenção com relação ao equipamento de mistura e com relação às características do lote de bentonita (granulometria e teor de umidade). Além disso, é

5 sempre recomendável efetuar seqüência de adição água-bentonita, que resulta em mais rápida evolução de propriedades devido à minimização de formação de pelotas dentro do misturador (7-9). RCV (N/cm2) BR RCV (N/cm2) AR % Cpt 45% Cpt 48% Cpt 52% Cpt tempo de mistura (min) tempo de mistura (min) RCV (N/cm 2 ) AM tempo de mistura (min) 40% Cpt 45% Cpt 48% Cpt 52% Cpt Figura 5 - Evolução da resistência a verde com o tempo de mistura, empregando-se bentonitas sódicas brasileira (a), argentina (b) e americana (c) (7). a b figura 6 Amostra ( pacotes ) de bentonitas sódicas brasileira (a) e Argentina (b). a 700 x; b 180 x (8).

6 Estas considerações são tanto mais importantes quanto maior o grau de renovação da areia de moldagem, pois o tempo de mistura acumulado é dado por (9): Tempo de mistura acumulado = (tempo de mistura por ciclo) / (grau de renovação/100) Assim, para um tempo de mistura por ciclo de 90 segundos, se o grau de renovação aumenta de 3 para 8%, o tempo de mistura acumulado decresce de 50 para 19 minutos, com efeito sensível sobre as propriedades da areia de moldagem. Na figura 7 mostram-se resultados de propriedades de areias de moldagem misturadas por 8 horas, de modo que estas propriedades podem ser consideradas como valores máximos que se pode obter com estas areias de moldagem. Verifica-se que os valores obtidos são praticamente iguais para todas as bentonitas testadas. 34 RCV (N/cm2) BR AM AR compactabilidade (%) Figura 7 Resistência à compressão a verde em função da compactabilidade, para areias de moldagem preparadas por 8 h. 8 partes de bentonita e 3 partes de pó-de-carvão (9). Estes resultados podem ser utilizados para estabelecer uma equação que mede o grau de preparação da mistura, como se segue: Grau de preparação = ((RCV) / (AA * (5,13 0,0338 * Cpt))) * 100 onde: RCV resistência à compressão a verde (N/cm2) AA teor de argila ativa (%) Cpt compactabilidade (%) Esta equação compara então os resultados obtidos com uma dada areia de moldagem, com os considerados valores de referência (figura 7). Assim, por exemplo, uma areia de moldagem que apresentasse RCV = 19 N/cm2, compactabilidade = 41% e teor de argila ativa = 7,8% teria um grau de preparação de 65%, ou seja, estaria apresentando 65% da resistência máxima da bentonita.

7 4) Penetração por explosão: O trabalho experimental realizado mostrou que o tipo de bentonita tem profundo efeito sobre a tendência à penetração por explosão de areias de moldagem. Este defeito de fundição ocorre quando o metal líquido atinge, sob altas velocidades, regiões do molde que não tiveram oportunidade de sofrer completa secagem superficial pelo fluxo de metal, de modo que a umidade evapora então confinada pelo metal, ou seja, explosivamente, forçando a penetração de metal, em regiões adjacentes, por entre os poros da areia (figura 8) (10). Figura 8 Mecanismo de formação de penetração por explosão (10). a - contato metal/molde, sem impacto; b colisão do metal com o molde; c solidificação de metal nos poros do molde e evaporação explosiva da água; d formação de grande bolhas de vapor d água; e expulsão das bolhas de vapor d água. As bentonitas podem afetar a tendência à formação deste defeito de duas maneiras: alterando o tamanho dos poros da areia de moldagem compactada, ou ainda dificultando a secagem da bentonita pelo fluxo de metal (9). A alteração dos poros da areia de moldagem pode ser avaliada pela permeabilidade da areia de moldagem, verificando-se que esta propriedade é maior com o uso de bentonita sódica ativada brasileira, quando comparada com a bentonita sódica natural argentina (figura 9), o que é resultado da diferença de dispersabilidade destas bentonitas (11).

8 permeabilidade (cm 4 g -1 min -1 ) número de impactos Figura 9 Permeabilidade em função da compactação do corpo-de-prova, para areias de moldagem com bentonitas Brasileira e Argentina. 8 partes de bentonita, areia-base módulo 56/61 AFS, 20 min de mistura. (11) Outro fator que distingue estas bentonitas é a morfologia da bentonita na superfície compactada da areia (na interface molde/modelo), verificando-se que a bentonita sódica brasileira apresenta-se predominantemente sob forma compacta (figura 10). Nestas regiões é de se esperar que seja mais difícil a saída de umidade, de modo que pode ainda haver água líquida quando o metal encontrar estas regiões. Já a estrutura flocular da bentonita, morfologia predominante em areias com bentonita sódica argentina, facilitaria a evaporação e a remoção do vapor d água. Explicam-se assim as diferenças de comportamento destas bentonitas, verificando-se maior tendência à explosão e maior facilidade de penetração de metal com o uso de bentonita sódica brasileira, quando comparada com a bentonita sódica argentina. A bentonita sódica americana apresentaria comportamento intermediário (11). Estas tendências podem ser minimizadas pela seleção adequada do módulo de finura da areia-base, ajustando-se a permeabilidade aos valores desejados. BR AR a b Figura 10 Superfície de compactação de areia de moldagem com bentonita sódica brasileira (8 partes). a - 80 x; b 160 x. (9)

9 5) Escamas (chagas): O defeito de escamas (chagas) tem sua origem na expansão térmica da areia de sílica, e ocorre em locais aquecidos pela irradiação de metal e não pressurizados pela coluna de metal líquido, destacando-se uma camada de areia que penetra na cavidade do molde, resultando no defeito (figura 11) (12). Sabe-se que, de um modo geral, bentonitas sódicas apresentam melhor comportamento com relação a escamas por interagirem com dipolos de água e os ordenarem a mais longa distância que bentonitas cálcicas (figura 2). Figura 11 Formação de escamas de expansão durante o enchimento do molde. A superfície aquecida por irradiação se expande, gerando tensões de tração na zona de condensação de vapor d água (12). Resultados de ciclos sucessivos de fundição com peça-teste para escama mostraram que a tendência a escamas aumenta na seguinte ordem de bentonitas sódicas: americana (sódica natural), argentina (sódica natural), alemã (sódica ativada), brasileira (sódica ativada) (figura 12) (13).

10 tempo de escama (s), RTU (N/cm2 x 10-2 ) tempo escama RTU BR AR AM AL tempo de escama (s) RTU por teor de argila ativa (N/cm2 x 10-2 ) tempo/aa RTU/AA BR AR AM AL Figura 12 Resultados de teste de escamas em areias submetidas a ciclos de fundição. Resultados médios de 10 ciclos. (9,13). O ensaio de resistência à tração a úmido (RTU) revela parte deste efeito, sendo útil para explicar as diferenças entre bentonitas brasileira e argentina, porém não explicando o comportamento da bentonita alemã. A alta tendência a escamas da bentonita sódica brasileira foi investigada em detalhes, sendo atribuída às seguintes causas (14): - secagem a baixas temperaturas (<300 C), que apesar de não remover hidroxilas da bentonita (não decresce o teor de argila ativa), resulta em decréscimo da RTU. Esta secagem ocorre em regiões do molde expostas a temperaturas entre 100 e 300 C. - sensibilidade da bentonita sódica brasileira à presença de contaminantes na areia de moldagem (Cl -, SO4 =, NH4 + ). Estes contaminantes provocam distúrbios na ordenação dos dipolos de água, resultando em redução da RTU. Ressalte-se ainda que as bentonitas brasileiras de Campina Grande, Paraíba, contém quantidades apreciáveis de cloretos (5 meq/100 g), o que é resultado de contaminação dos próprios depósitos de bentonita nesta região. Algumas medidas são sugeridas para minimizar esta tendência, destacando-se o tratamento de ativação da bentonita em condições que promovam eficiente troca de cátions (mistura eficiente, tempo de cura) (6). Outra alternativa seria ainda a remoção de íons SO 4 = da areia de moldagem através de sua precipitação com Ba CO3 (figura 13). 6) Durabilidade da bentonita: O ciclo térmico imposto pelo vazamento e solidificação da peça ao molde resulta em perda de hidroxilas de parte da bentonita (aquela aquecida a temperaturas superiores a C), o que torna esta bentonita inerte para re-ligação, necessitando-se repô-la com a adição no misturador. Esta adição de bentonita no misturador visa manter constante o teor de argila ativa da areia de moldagem, e é composta de duas parcelas: a reposição da queima da bentonita e a saturação da areia nova que entrou no sistema (adicionada intencionalmente ou através dos machos). Adição de bentonita = reposição da queima + saturação da areia nova

11 0,34 0,32 0,3 RTU (N/cm 2 ) 0,28 0,26 0,24 0,22 0, adição de BaCO 3 (meq/100g bent) Figura 13 Recuperação de resistência a úmido de areia em areia de moldagem com bentonita sódica brasileira, após 10 ciclos de fundição (15). A saturação da areia nova objetiva apenas colocar a porção de areia nova com o teor de argila ativa da areia de moldagem. Saturação da areia nova = (grau de renovação/100) x (teor de argila ativa) Saturação da areia nova = (R/100) x (AA) A queima da bentonita depende da constante da bentonita, teor de argila ativa presente e da solicitação térmica imposta, que é inversamente proporcional à relação areia/ferro do molde. Reposição da queima = (constante de queima) x (teor de argila ativa) / (relação areia/ferro) Reposição da queima = (K M ) x (AA) x (1-R/100) / (A/Fe) O termo (1-R/100) apenas ajusta esta parcela à areia retorno (e não ao total de areia no misturador). Deste modo, a constante de queima (K M ) da bentonita caracteriza a sua durabilidade com relação ao ciclo de fundição, e pode ser calculada a partir de balanços de massa no sistema de areia (9, 16). Na figura 14 estão apresentados resultados de constante de queima de diversas bentonitas, para um dado sistema de areias. Verifica-se que a durabilidade das bentonitas sódicas decresce na seguinte ordem: argentina (sódica natural), americana (sódica natural), alemã (sódica ativada), brasileira (sódica ativada). Este comportamento pode ser avaliado também em laboratório, com ensaios de adsorção de azul de metileno em amostras antes e após calcinação a 550 C (figura 15). Através deste ensaio pode-se ter uma estimativa da constante de queima da bentonita em areia de moldagem, e, portanto, do seu consumo na prática (figura 16). Assim, por exemplo, uma nova amostra de bentonita que apresente redução de adsorção de azul de metileno de 65% com ensaio a 550 C; estima-se que a sua constante de queima seja de 0,40 (figura 16). Num sistema de areia com relação areia/ferro A/Fe = 5, teor de argila ativa de 7,0% e entrada de areia nova R = 4%, a adição desta bentonita por ciclo seria de 0,54 % (em relação à areia preparada).

12 constante de "queima" (K M ) 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Figura 14 Resultados de constante de queima (K M ) para diversas bentonitas, média de 10 ciclos de fundição (9). 0 BR AR AM AL tipo de bentonita redução de adsorsão d metileno (%) BR BR1 BR2 BR3 BR4 BR5 BRC BRC1 AL AR AM AR1 Sódicas brasileiras Cálcicas brasileiras Sódica importada Bentonitas Figura 15 - Redução de adsorção de azul de metileno de bentonitas comerciais. Calcinação a 550 C, por 3 horas (9). Constante de "queima" - K M 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 y = 0,005x + 0,0775 R 2 = 0, Redução de adsorsão de azul de metileno (%) Figura 16 Relação entre constante de queima da bentonita em sistema de areia e redução de adsorção de azul de metileno (ensaio de laboratório). (16).

13 7) Considerações Finais: Sabe-se que a troca de uma bentonita por outra, numa areia de sistema, pode resultar em alterações significativas nas propriedades da areia de moldagem, o que pode conduzir a problemas de qualidade nas peças fundidas. Os resultados apresentados mostram que é possível prever-se muitas destas alterações, efetuando-se ensaios simples de laboratório, o que torna então possível a adoção de medidas preventivas. A prática da fundição tem mostrado que é possível obter bons resultados com diferentes combinações de bentonitas, desde que o conjunto de variáveis da tecnologia de fundição (composição da areia de moldagem, equipamento de moldagem, equipamento de recuperação e mistura, tecnologia de canais de alimentação) seja otimizado para a(s) bentonita(s) em uso. Referências Bibliográficas: 1) Souza Santos, P. Tecnologia de Argilas. Vol 1, Ed Edgard Blücher 2) Boenisch, D. Wasserentsalzung verbessert die Gussoberflächen. Giesserei, vol 66 n. 11, p , ) Masiero, I. et all. Adsorção de azul de metileno em bentonitas. Fundição e Matérias- Primas, vol5, n. 51, p.32-33, fev/ ) Guesser, W. L. Teoria da ação ligante em areia de moldagem. Seminário de Área. EPUSP, ) Guesser, W. L. Comparação entre bentonitas brasileiras e argentinas para areia de moldagem. Seminário Tecnologia de Argilas, Dr P. Souza Santos, EPUSP ) Guesser, W. L. Considerações sobre troca de cátions em esmectitas brasileiras visando sua utilização em fundição. Cerâmica, vol 29, n. 157, p , jan/ ) Guesser, W. L. & Masiero, I. Misturas para areias a verde. Fundição e Matérias Primas, vol 3, n. 26, p.30-39, dez/ ) Guesser, W. L. et all. Dispersabilidade de bentonitas em areia a verde. Metalurgia ABM, vol 38, n. 293, p , abr/ ) Guesser, W. L. Estudo sobre bentonitas brasileiras em areia de moldagem. Dissertação de mestrado, EPUSP, ) Levelink, H. G. Influence of mold on casting defects caused by water explosion. AFS Transactions, vol 80, p , ) Guesser, W. L. Defeito de penetração por explosão em peças fundidas. Metalurgia ABM, vol 40 n. 315, p , fev/ ) Boenisch, D. Casting defects as a consequence of green sand mould fracture during pouring. AFS Transactions, vol 82, p , ) Guesser, W. L. et all. Efeito do tipo de bentonita sobre a incidência de defeito de escama. Metalurgia ABM, vol 40, n. 325, dez/ ) Guesser, W. L. et all. Defeito de escamas em areias recicladas. Congresso ABIFA, São Paulo, ) Guesser, W. L. Processo aperfeiçoado de beneficiamento de areia de moldagem. Pedido de Patente PI , INPI, ) Guesser, W. L. et all. Durabilidade de bentonitas em areia de moldagem. Congresso ABIFA, São Paulo, p. 45, 1993.