03_Aditivos e Preparo de Areias

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Aditivos Funções compensar deficiências de propriedades das misturas simples (areia + argila + água) ou compensar deficiências do processo de preparação da areia Algumas finalidades específicas reduzir ou eliminar reações metal-molde aprimorar acabamento superficial evitar “lavagem” (erosão), aderência de areia, ... modificar a resistência a seco e a altas temperaturas aumentar plasticidade a quente facilitar desmoldagem compensar efeitos colaterais de outros aditivos

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AditivosFunções• compensar deficiências de propriedades das misturas

simples (areia + argila + água) ou• compensar deficiências do processo de preparação da areiaAlgumas finalidades específicas• reduzir ou eliminar reações metal-molde• aprimorar acabamento superficial• evitar “lavagem” (erosão), aderência de areia, ...• modificar a resistência a seco e a altas temperaturas• aumentar plasticidade a quente• facilitar desmoldagem• compensar efeitos colaterais de outros aditivos

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AditivosTIPOS• orgânicos

– carbonáceos• pó-de-carvão• piches, resinas, asfaltos ...

– celulósicos• pó-de-madeira• cascas moídas de aveia, milho, arroz,

nozes ...– amidos e dextrinas

• de milho, de mandioca• inorgânicos

– óxidos de ferro– pó de sílica– barrilha ...

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AditivosPó de carvão

Usado principalmente na fundição de ferros fundidos (e bronzes)

• Objetivos principais:– evitar aderência de areia à peça fundida (facilitar limpeza)– evitar penetração de metal líquido no molde– reduzir ocorrência de defeitos devidos à expansão térmica do

quartzo

• Ao ser aquecido com pouco ou nenhum O2 presente:– expande ligeiramente– libera voláteis (tanto mais pesados quanto mais alta a

temperatura)– amolece– resíduo final sólido poroso: coque (‘carbono fixo”) e cinzas

• Em presença de O2:– voláteis são queimados à medida que se formam– havendo oxigênio suficiente: coque é queimado (restam as

cinzas)

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AditivosPó de carvão

Efeitos do pó de carvão explicados por:• Liberação progressiva de voláteis de pesos moleculares

crescentes com a temperaturaa– consomem oxigênio da atmosfera do molde (diminui tendência à

oxidação do ferro e formação de faialita)– diminuem a pressão parcial de outros gases– voláteis (principalmente os mais pesados) depositam-se em

superfícies quentes na forma de “grafita pirolítica”, também conhecida com “carbono vítreo” ou “carbono lustroso” (lustrous carbon). Superfícies quentes disponíveis: o próprio metal líquido e o molde (macho) aquecido por radiação

– película de “carbono lustroso” interpõe-se entre metal e areia– não é molhada pelo metal líquido, evita ocorrência de reação

metal-molde

• Amolecimento (faixa de temperatura de amolecimento varia com a composição)– confere plasticidade a quente, diminuindo os efeitos da

expansão térmica do quartzo

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AditivosPó de carvão

Filmes de “carbono lustroso” têm curta duração (podem ser rapidamente oxidados ou dissolvidos

• Garantem presença de carbono lustroso até o fim do vazamento:

– natureza variada dos voláteis formados e ampla faixa de temperaturas de formação (voláteis leves evoluem no início do vazamento, voláteis pesados “são guardados” para o final)

– formação de voláteis controlada também pela granuometria do carvão (partículas menores são consumidas mais cedo que as maiores): função protetora estende-se por maior tempo

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AditivosPó de carvão

Amolecimento do pó de carvão contribui para reduzir efeitos da expansão do quartzo

• Não se observa diminuição dessa expansão (pode até observar-se algum aumento), mas

– fusão do pó de carvão tem início a temperaturas relativamente baixas (da ordem de 450°C ou menos)

– material permanece plástico quase até o término da evolução dos voláteis mais pesados

– dependendo da composição do pó de carvão, a faixa de temperaturas de amolecimento pode incluir a temperatura de inversão do quartzo (573°C)

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AditivosPó de carvão

B

A

lã de sílicasaída de gases

amostra

apoiosplaca

Dispositivo para determinação de carbono vítreo em carvões.

Determinação de potencial de formação de carbono lustroso e da faixa de temperaturas de amolecimento

entrada de sinal determopar

entrada de sinalde transdutor dedeflexão

registradordeflexão-temperaturaplaca de aquisição dedados para computador

deflexão

temperatura

(a) (b)Determinação do intervalo de amolecimento de carvões. (a) equipamento sugerido: forno aresistências, acoplado a um registrador deflexão temperatura ou a um sistema de aquisiçãode dados; (b) curva deflexão x temperatura mostrando o intervalo de amolecimento.

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AditivosPó de carvão

Efeitos indesejáveis:– acúmulo de coque: pode consumir oxigênio mas não produz voláteis

e é poroso (seus poros encharcam-se com água livre)– acúmulo de cinzas: não têm efeito benéfico conhecido, têm baixo

ponto de fusão e requerem água– acúmulo de ânions sulfato: reduzem a resistência em condição de

alta umidade (resistência à tração a úmido)

Para minorar esses efeitos, os pós de carvão devem ter:– maior teor de voláteis possível (desejável 35% ou mais)– menor teor de cinzas possível– menor teor de enxofre possível

• moldagem convencional: tolera-se até 7%• moldagem a alta pressão: ideal < 1%

O cumprimento dessas exigências têm exigido mistura de carvões minerais com outros materiais de natureza semelhante

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AditivosPó de carvão

Distribuição granulométrica– deve ser espalhada (pelas razões já vistas)– recomendações específicas variam muito; as mais comuns:

• 20 a 25% de finos (< malha 270)• restante concentrado em 4 a 5 peneiras das séries

– algumas recomendações: tamanho médio dos grãos da parte granular (> malha 270) deve ser menor que o da areia

Experiência própria é sempre melhor que a dos outros

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AditivosPiches, resinas, asfaltos

São usados em substituição ou complementarmente aos pós de carvão devido a– necessidade de reduzir a quantidade de fumos na fundição– falta de carvões adequados

Vantagens– altos teores de matéria volátil combustível (50% a 100%)– dependendo do tipo e procedência:

• predominância de voláteis pesados (os leves têm baixa capacidade de formação de carbono lustroso)

• têm baixos teores de enxofre e cinzas

Desvantagens– amolecem a baixas temperaturas (pouco acima de 100°C) e

têm baixa viscosidade a altas temperaturas• praticamente não contribuem para a plasticidade a quente

Ideal: uso combinado de pós de carvão + piches / resinas / asfaltos

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AditivosPiches, resinas, asfaltos

0102030405060708090

100

0 200 400 600 800

Temperatura, °C

Volá

teis

libe

rado

s, %

polistireno

asfalto

piche

pó-de-carvão

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AditivosAmidos e dextrinas

São usados para• aumentar plasticidade a verde (sem prejuízo de resistência)• aumentar resistência a seco• reduzir efeitos da expansão térmica do quartzo (amidos)• reduzir sensibilidade à variação do teor de umidade• formar atmosfera redutora (discutível)

Amidos– incham / desincham ao absorver / perder água– absorvem excedente de água da bentonita

• reduz da expansão total, evita defeitos devidos à expansão• menor sensibilidade a excesso de água (compactabilidade mais estável)

– maior tenacidade da areia e maior resistência superficial (por secagem)• menor friabilidade, menos defeitos de erosão

– em excesso:• difícil compactação• movimentação de paredes do molde (aumento da cavidade)• difícil desmoldagem• dissolução gradual da parcela solúvel (15 a 20%): queda de resistência,

aderência ao modelo

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AditivosAmidos e dextrinas

Dextrinas– são inteiramente solúveis e dissolvem-se rapidamente – seu maior efeito é o de reduzir friabilidade por aumento de

resistência (quando há secagem superficial )• menor tendência a defeitos de erosão

– menos eficientes que os amidos para aumentar a plasticidade a verde: efeitos negativos sobre a compactação e movimentação de paredes do molde só grande excesso

– tendência a aumentar a resistência a quente– pouco eficientes para prevenir defeitos devidos à expansão

térmica– em excesso:

• difícil desmoldagem

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AditivosCelulósicos (pó de madeira ...)

Pó de madeira, cascas moídas de cereaisPrincipal mecanismo de atuação:

– inchar / desinchar ao absorver / perder água• reduzem efeitos da (compensa a) expansão térmica da areia• reduzem tendência a rabos-de-rato e veiamento

– capta água livre• compactabilidade menos afetada por variações de % umidade

– efeito de consumir oxigênio pode ser contrabalançado pela água necessária para umedecer

– tendem a reduzir resistências a quente e residual• melhor colapsibilidade, melhor desmoldabilidade

– ao umedecer-se não produzem massa viscosa• não interferem na plasticidade a verde

– tendem a acidificar a areia (principalmente o pó de madeira) – em excesso

• diminuem resistência e tenacidade a verde• comportamento elástico

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AditivosRESUMO

Aditivo

Efeitopó-de-carvão piches, asfaltos pó de madeira amidos dextrinas

consumir oxigênio, proporcionar atmosfera redutora XXX XXX XX XX XX

gerar carbono lustroso XXX XXX X

inchar / desinchar ao absorver / perder água XX X

aumentar plasticidade a verde XXX XX

aumentar plasticidade a quente XXX

aumentar resistência a quente XX XXX

produzir fumos na fundição XXXX XXX XXX XX XX

contaminar areia com coque, enxofre e cinzas XXX X

impermeabilizar a bentonita XX XX X

introduzir ânions na areia XX X

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Preparo das areias de moldagem

O misturador não deve apenas dispersar mutuamente dois ou mais componentes demodo macroscopicamente homogêneo, deixando cada um dos componentes iniciais emsua forma original (o termo “mistura sugere isso).

No preparo das areias de moldagem busca-se, além da homogeneidade macroscópica:

• posicionar as moléculas de água sobre as superfícies das lamelas de argila passíveisde adsorver água e

• posicionar essas lamelas umedecidas de modo uniforme sobre a superfície dos grãosde areia.

Para isso, o “misturador” de areias de moldagem deve ser capaz de subdividir o maispossível as partículas de argila, buscando a máxima interação com as moléculas de água.Deve ainda promover e desfazer contatos grão-grão, de modo a possibilitar atransferência de parcelas da argila aderida a cada um e ter-se, ao fim da operação,recobrimentos uniformes.

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Preparo das areias de moldagem

Deseja-se que a mistura final seja

macroscopicamente homogênea ≡ desordenadae

microscopicamente ordenada

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Preparo das areias de moldagem

Principais dificuldades

1) bentonita: não está na sua “granulometria” final → “pacotes”

precisa ser “desempacotada”

bentonita em

“pacotes”

2) em circunstâncias normais

material em pó + água → pelotas

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Preparo das areias de moldagem

Principais dificuldades (cont.)

3) área específica da areia (+ aditivos que não absorvem água)– tipicamente (para uma batelada de 1 tonelada):

1.000.000 g X 10 cm2/g = 100.000.000 cm2 ≡ 10.000 m2

(100 m X 100 m)– sobre essa área deve ser uniformemente distribuída a massa de:

~ 100 kg de bentonita + 40 kg de água– consistência semelhante à de um sabonete e dens. ~ 1,8 g/cm3

espessura da camada ≈ 8 µm

4) área específica da bentonita– para uma adição de 10%

40.000 g X 800.000 cm2/g = 32.000.000.000 cm2 ≡ 3.200.000 m2

(1 km X 3,2 km)

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Preparo das areias de moldagemPrincipais dificuldades (cont.)

5) amidos complicam a situação• grande tendência a pelotizar (requerem dispersão prévia)

6) areia retorna quente• ao contato água / areia quente, produz-se vapor

– perda de água– condensação no equipamento: lama de bentonita, carvão, finos ...

• parte das adições não participa da mistura• de tempos em tempos caem blocos de finos encharcados (quando a

camada fica suficientemente espessa)• a água não se dispersa adequadamente sobre bentonita quente

– preparação inadequada, propriedades fora de controle, defeitos• requer excesso de bentonita para compensar: outros tipos de defeitos

7) restrições de tempo de preparação• misturadores mais intensivos (potências específicas ~ 2 a 3 kWh/t)

– mais calor dissipado, areia mais quente

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Preparo das areias de moldagemAlguns tipos de misturadores

• bateladas– revolvimento + amassamento

• com galgas verticais (tipo Simpson)– ~ 1,5 a 2 kWh/t; 30 a 40 rpm

• com galgas horizontais (tipo Speedmullor)– ~ 2 a 3 kWh/t; 44 a 100 rpm

– revolvimento + agitação (contra-corrente: impacto)• recipiente rotativo: revolvedor + agitador (Eirich)• recipiente fixo: pás revolvedoras + agitador (BMD, Maximec)

– ~ 2 a 3 kWh/t; ?? rpm

• contínuo– amassamento e revolvimento

• com galgas verticais (Simpson Multimull)– ~ 0,8 kWh/t; 30 a 40 rpm

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Preparo das areias de moldagemMisturadores de bateladas

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Preparo das areias de moldagemMisturadores de bateladas

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Preparo das areias de moldagemMisturadores contínuos

• Multimull (Simpsom) parece ser o único modelo disponível

t/h kW kWh/t14 11,3 0,8345 37,8 0,8391 75,5 0,83136 113,3 0,83182 151,0 0,83227 188,8 0,83272 226,5 0,83318 264,3 0,83

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Preparo das areias de moldagembateladas x contínuos

0%

20%

40%

60%

80%

100%

120%

140%

0 10 20 30 40

Tempo

Potê

ncia

dem

anda

da

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Preparo das areias de moldagemordem / forma das adições

Ordem ideal (sem amido)1) Parte granular (areia de retorno + areia nova)2) Água (quase toda)3) Bentonita e demais aditivos em pó4) Acerto da umidade (compactabilidade)5) Descarga

Com amido1) Parte granular (areia de retorno + areia nova) + amido

restante como acima

Formas possíveis– forma comum: adições individuais (componentes secos)– pré-mistura de aditivos secos (bentonita + carvões)– aditivos pré-umedecidos (lama), pré-misturados ou não

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Preparo das areias de moldagemDemandas de água

AditivoDemanda específica de água para moldabilidade 70% ou

compactabilidade 40%Bentonita sódica natural (EUA) 0,27Bentonita sódica natural, base seca 0,295Bentonita cálcica (EUA) 0,29Bentonita cálcica (EUA), base seca 0,33Argila refratária 0,15Pó de carvão 0,09Amido de milho 0,78Pó de madeira 0,38Pó de sílica 0,059Bentonita cálcica (EUA) calcinada (3h, 480°C) 0,23

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Recirculação da areiaEquilíbrio

Materiais inertes (gerados no vazamento) são diluídos com areia nova e/ou dos machos

% de argila ativa, no equilíbrio (Davies)Para ciclo iniciando na descarga da areia do misturador:

C = % de argila ativa no inicio do ciclo,

A = % de argila ativa na mistura inicial,

B = % de argila adicionada à areia a cada ciclo,

S = % de areia “perdida” a cada ciclo (substituída por areia nova mais argila

i = % de argila tornada inerte em cada ciclo,

ao fim do 1º ciclo:

fazendo

ao fim do n-ésimo ciclo:

A soma dessa série é:

BiSAC +−

⋅−

⋅=100

)100(100

)100(1

qiS=

−⋅

−100

)100(100

)100(

BqBqBqBqAC nnnn +⋅++⋅+⋅+⋅= −− ...21

qqBqACn

nn −

−⋅+⋅=11

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Recirculação da areiaEquilíbrio

Como | q | < 1, para n → ∞ a série converge:

Se “perdas” e “renovação” = constantes, C se estabiliza após ~10 de ciclos1 ciclo (em horas) = total de areia no sistema ÷ areia preparada por hora

por exemplo: 200 t ÷ 20 t/h = 10 horas por ciclo, composição estabiliza-se 10 ciclos × 10 horas/ciclo = 100 horas de operação após qualquer modificação introduzida

% de argila inerte no equilíbrio (Ojala e Schnay)T = % total de argila (ativa + inerte) no inicio do ciclo e

I = % de argila inerte

por definição:Para i = 0, a expressão de equilíbrio para a argila ativa transforma-se na

equação de equilíbrio para a argila total T, resultando:

Essas mesmas expressões podem ser empregadas para qualquer dos constituintes da areia de moldagem

100)100(

100)100(1 iSBC

−⋅

−−

=

CTI −=

100100 s

SiCI −⋅

⋅=

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Recirculação da areiaEquilíbrio

• Como determinar i(% de argila tornada inerte em cada ciclo)

Método direto (mais preciso)Diferença entre Argila Ativa A.M. (Azul de Metileno) da areia que entra no misturador e da que sai após a preparação– descontando:

• diluição (areia nova adicionada + machos incorporados)• bentonita adicionada

– média de várias determinações– várias situações

• diferentes relações areia / metal e classes de peças

Método indireto (aproximado)Determinação da quantidade de areia aquecida acima da temperatura de desativação da bentonita

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Método indireto

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0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

200 300 400 500 600 700Temperatura, °C

kg d

e ar

eia

aque

cida

/ kg

de

met

al v

azad

o Cilindro 2,5", fo.fo., verde

Cilindro 1,5", fo.fo., estuf.

Esfera 9", aço, verde

Esfera 6", aço, verde

Aglomerante kg / t metal vazado / % contidoBentonita sódica natural (EUA) peças com seções até 75mm 1,63 peças com seções ~ 130mm 2,35Bentonita cálcica (EUA) peças com seções até 75mm 2,8Argila plástica 3,2

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Recirculação da areiaInventário (balanço de massa)

Como usar os valoreskg de bentonita desativada / t metal vazado / % contida

Exemplo:teores de materiais ativos desejados– 7% bentonita cálcica– 3% de pó de carvão entram no sistema 180 kg de areia machos por tonelada

Para o pó de carvão (T = 600°C), do gráfico R = 0,210

para compensar cálculo adição, kg/t de metal vazadoperda por degradação 1000 × (0,210 × 3) / 100 6,3di1uição (180 × 3)/100 5,4total 6,3 + 5,4 11,7

Para a bentonita cálcica (T = 400°C), do gráfico R = 0,410para compensar cálculo adição, kg/t de metal vazadoperda por degradação 1000 × (0,410 × 7) 28,7di1uição (180 × 7) / 100 12,6total 28,7 + 12,6 41,3

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Temperatura da areia de sistema

• areia de moldagem quente em contato com superfície metálica fria → condensação de umidade

– aderência de areia em placas-modelo metálicas

– difícil extração e mau acabamento)

• areia de retorno e areia preparada tendem a aderir às paredes dos silos e elevadores de canecas ...– diminuição de capacidade

• areias preparadas e quentes perdem umidade rapidamente– difícil controle, moldes frágeis e friáveis

• inclusões de areia e mau acabamento superficial nas peças fundidas

• eficiência de operação de mistura torna-se aleatória quando se prepara areia a temperatura > 70°C; entre 50 a 70°C resultados erráticos (vez ou outra obtêm-se propriedades desejadas); para operação de mistura torna-se reprodutível e controlável: temperatura < 50°C

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Esfriamento da areia

• Único mecanismo efetivo é evaporação de água

– calor latente de vaporização da água = 560 cal/g

– calor específico da areia ~ 0,2 cal/g.°C

• evaporação de 1% de umidade (1 g de água em 100 g de areia)

• teoricamente, evaporação da umidade já existente na areia pode baixar a temperatura da areia em ~ 80°C; havendo revolvimento e aeração, pode-se adicionar água extra para promover esfriamento

• porém, esse mecanismo torna-se ineficiente para T < 50°C:

C°28=2,0×100

560

2850−T

% água extra para esfriamento ≤ - % umidade remanescente

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