SOCIEDADE EDUCACIONAL DE SANTA CATARINA

INSTITUTO SUPERIOR TUPY

ENGENHARIA DE FUNDIÇÃO

PROCESSO AREIA A VERDE

BENTONITAS PARA FUNDIÇÃO

Iberê Roberto Duarte

AGOSTO/2003JOINVILLE

SUMÁRIO

1- HISTÓRICO.......................................................................................................................31.1- OCORRÊNCIAS.............................................................................................................41.2- CONCEITOS SOBRE ARGILA.....................................................................................81.3- CÉLULA UNITÁRIA.....................................................................................................91.4- FÓRMULA ESTRUTURAL.........................................................................................101.5- ESTRUTURA DA BENTONITA.................................................................................101.6- INFLUÊNCIA DOS CÁTIONS ADSORVIDOS.........................................................111.7- BENTONITA NA FUNDIÇÃO....................................................................................121.8- TEORIA DA AÇÃO LIGANTE...................................................................................131.9- PERMEABILIDADE E RCV........................................................................................141.10- TERMOGRAMAS......................................................................................................151.11- MOINHO RAIMUND.................................................................................................171.12- COMPOSIÇÃO QUÍMICA.........................................................................................181.13- FLUXOGRAMA DE BENEFICIAMENTO DAS BENTONITAS............................191.14- ESPECIFICAÇÃO DAS BENTONITAS...................................................................201.15- BETONITA SÓDICA PARA FUNDIÇÃO DE ALUMÍNIO.....................................211.16- BENTONITA CÁLCICA PARA FUNDIÇÃO DE ALUMÍNIO...............................211.17- ÁGUA..........................................................................................................................22BIBLIOGRAGIA..................................................................................................................23

1-HISTÓRICO

Fins cerâmicos – Egípcios; Gregos

Romanos – tintas, cosméticos e desengordurantes

Na região de Rock-Creek, próximo ao Fort Benton, Estodo do Wyoming nos EUA.

Em 1897 W. C. Knight publicou uma matéria.

O mineral predominante era a montmorilonita, nome de uma cidade francesa “Montmorillon” local onde foi encontrado pela primeira vez.

ORIGEM DAS BENTONITAS DO CONTINENTE AMERICANO.

PAÍS DEPÓSITOS REGIÃO ORIGEMEUA WYOMING COLONY CRETÁCIO

SUP. E TERCIÁRIO

BRASIL PARAÍBA BOA VISTA CRETÁCEOARGENTINA PROVÍNCIA

DE NEUQUÉN

RIO NEGRO, L. PELLEGRINI E GENERAL ROCA

PALEOCENO

1.1-OCORRÊNCIAS

Fig. 1-OCORRÊNCIAS DE BENTONITA NO BRASIL

Fig. 2-MATA MINEIRO DO ESTADO DA PARAIBA

Fig. 3-DIAGRAMAS ESQUEMÁTICOS DA ESTRATIGRAFIA DOS DEPÓSITOS DE BOA VISTA

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Fig. 4-DIAGRAMAS ESQUEMÁTICOS DA ESTRATIGRAFIA DOS DEPÓSITOS DE BOA VISTA

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Fig. 5-OCORRÊNCIAS DE BENTONITA NOS EUA.

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1.2-CONCEITOS SOBRE ARGILA

Segundo a ABNT (Norma P – TB – 4, de 1961), “A argila pode ser definida como uma rocha geralmente plástica, constituída essencialmente por silicatos de alumínio hidratados, denominados minerais de argila ou argilominerais, podendo conter sílica livre e outras impurezas.

Argilomineral – São os minerais constituintes característicos das argilas, geralmente cristalinos, compostos por silicatos hidratados de alumínio e ferro, contendo ainda certo teor de elementos alcalinos e alcalinos-terrosos.

Também é definida pelo “Comitê Internacional Pour L’Etude des Argiles” como “constituída por partículas de pequenas dimensões (diâmetro inferior a 2 microns), cristalinas, compostas por silicatos hidratados de reticulado ou rede cristalina em camadas (lamelar) ou de estrutura fibrosa ou camadas contínuas de tetraedros SiO4, condensadas com folhas ou camadas octaédricas”.

Esmectita – Também denominada de montmorilonita, é formada pela montmorilonita propriamente dita, beidelita, hectorita, nontronita, saponita, sauconita e volconscoíta.

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1.3-CÉLULA UNITÁRIA

Fig. 6-CÉLULA UNITÁRIA DA ESMECTITA.

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1.4-FÓRMULA ESTRUTURAL

1.5-ESTRUTURA DA BENTONITA

A unidade estrutural consiste de uma camada de gibbsita entre duas camadas de sílica. Parte do alumínio (Al+++) é substituído por (Mg++). Dessa maneira, a estrutura apresenta uma deficiência de cargas positivas, que são satisfeitas por cátions sódio (Na+), cálcio (Ca+++) ou outros, os quais ficam mantidos entre as unidades estruturais de maneira não rígida.

As partículas de argila montmorilonítica podem ser comparadas a um maço de baralho, onde cada carta representa uma lamela unitária (constituida pelas três camadas descritas).

A presença dos cátions adsorvidos na superfície de cada lamela unitária vai determinar grandes diferenças de propriedades. Os cátions ficam alojados externamente à face da lamela unitária, isto impõe um certo espaçamento mínimo entre as lamelas adjacentes que corresponde, aproximadamente, ao diâmentro atômico do cátion adsorvido.

Esse espaçamento e a ausência de ligações fortes entre a lamelas, permite a introdução de moléculas de água que vão formando camadas monomoleculares rigidamente lígadas à superfície das camadas de sílica.

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Fig. 7 – ORDENAÇÃO DAS MOLÉCULAS DE ÁGUA ENTRE AS PARTÍCULAS DA MONTMORILONITA(7).

Até três camadas monomoleculares de água podem ficar rigidamente ordenadas de forma bastante perfeita. As moléculas de água são atraídas devido a superfície eletronegativa das lamelas e fato da molécula de água ser bipolar(2).

1.6-INFLUÊNCIA DOS CÁTIONS ADSORVIDOS

Para cátions do tipo Na+ de menor diâmetro tem-se um menor espaçamento inicialmente entre as lamelas. Sendo monovalente o mesmo tem a possilbilidade de ligar-se apenas a uma lamela neutralizando parte do excesso de cargas negativas. Desta forma a capacidade de absorção de água entre as lamelas fica facilitado proporcionando grande capacidade de expansão e contração conforme a presença de moléculas de água.

Desta forma o umedecimento de uma bentonita sódica é mais demorado, mas uma vez iniciado a mesma possui um alto grau de inchamento em função da absorção da água. Em temperaturas da ordem de 6200C os cátions Na+ estabelecem ligações mais fortes e evitam a separação das lamelas, dificultando a reabsorção de água. E em temperaturas (6500C) mais altas ocorre a perda da água estrutural da rede cristalina do argilo mineral (OH-) transformando o mesmo em um material inerte.

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Os cátios Ca++, divalentes e de maior diâmetro atômico que o Na+, estabelecem no espaçamento entre lamelas unitárias uma distância mínima maior, o suficiente para acomodar cerca de duas camadas monomoleculares de água. Em decorrência disto a bentonita cálcica exige menor tempo de mistura. Mas, como o Ca++ estabelece ligação mais forte por ser bivalente, ligando-se simultaneamente a duas lamelas, ocorre uma menor absorção de água (inchamento) nas bentonitas cálcicas. O inchamento é menor e a contração também, em temperaturas da ordem de 3200C as ligações do Ca++ com a lamela fica mais forte(2).

Na prática de fundição ocorrem as seguintes diferenças entre as bentonitas sódicas e cálcicas:

a)Bentonitas sódicas(2)- maior plásticidade a quente.- maior resistência a tração a úmido (RTU), devido maior absorção de água na zona de condensação.

- maior tempo para ativação durante o processo de mistura. - maior durabilidade em temperaturas mais altas, pois a temperatura para fixação térmica do Na+ é maior. - maior grau de inchamento e contração, resulta em maior capacidade de acomodação da expansão térmica da areia base.

b)Bentonitas cálcicas(2)- menor tempo para desenvolver a resistência a verde durante a preparação.- maior facilidade para secagem da mistura, a água entra e sai com mais facilidade das lamelas.- menor resistência tração a úmido.

1.7-BENTONITA NA FUNDIÇÃO

A bentonita sódica apresenta elevado inchamento na presença de água, podendo acomodar a expansão térmica da areia.

A cálcica apresenta maior facilidade ou rapidez na secagem de areias de moldagem.A sódica apresenta maior durabilidade do que a cálcica devido a temperatura mais elevada para fixação do Na+ ( e aquela tratada com carbonato de sódio apresenta durabilidade intermediária).

O tipo de cátion trocável parece não afetar a resistência à compressão a verde da areia.

A resistência na camada de condensação do vapor de água (RTU) depende grandemente do tipo de cátion trocável predominante, sendo maior em bentonitas sódicas.

A presença de ânions no sistema, proveniente da água ou outras impurezas, faz decrescer a resistência à tração a úmido.

As bentonitas cácicas produzem resistências a verde mais rapidamente do que as sódicas.

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1.8-TEORIA DA AÇÃO LIGANTE

Fig. 8-FORÇAS ADESIVAS E COESIVAS.

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1.9-PERMEABILIDADE E RCV

Fig. 9-VARIAÇÃO DA PERMEABILIDADE E DA RESISTÊNCIA COMPRESSÃO A VERDE EM FUNÇÃO DA ADSORÇÃO DO AZUL DE METILENO PELA

BENTONITA.

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1.10-TERMOGRAMAS

Fig. 10-TERMOGRAMAS DE ARGILAS DE BOA VISTA E NORTE AMERICANAS.

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Fig. 11-EFEITO DA PRESENÇA DE ANIONS ENTRE AS LAMELAS DA BENTONITAS.

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1.11-MOINHO RAIMUND

Fig. 12- MOINHO RAIMUND PARA MOAGEM DE BENTONITAS.

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1.12-COMPOSIÇÃO QUÍMICA

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1.13-FLUXOGRAMA DE BENEFICIAMENTO DAS BENTONITAS

SÓDICA NATURAL(5) SÓDICA ATIVADA(5)

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LAVRA LAVRA

TRITURAÇÃOTRITURAÇÃO

ADIÇÃO DE BARRILHA(COM ÁGUA)

SECAGEM

MOAGEM ECLAS. GRANULOMÉTRICA

SECAGEM

ACONDICIONAMENTO MOAGEM ECLAS. GRANULOMÉTRICA

ACONDICIONAMENTO

1.14-ESPECIFICAÇÃO DAS BENTONITAS

Tabela 4 - Características normais das bentonitas conforme especificaçào da CEMP(1).

Características Sódica Natural Sódica ativada A

Sódica ativada B

Cálcica

(*) umidade (%) 8-12 8-12 8-12 8-12(+) inchamento (ml/2g)

min. 30 mín.35 mín.30 -

(*)partículas grossas:# 40 (%) 0 0 0 0# 200 (%) máx. 10 máx. 10 máx. 10 máx. 10adsorção de AM:(*)-original (ml/05g)

mín.50 mín.52 mín.48 mín.50

(+)-a 550ºC (mgl/0,5g)

mín.35 mín.30 mín.25 mín.25

(+)densidade aparente (Kg/1)

0,7-0,9 0,7-0,9 0,7-0,9 0,7-0,9

(+)RCV (N/cm2) mín.11 mín.12 mín.11 mín.14(+)RCQ (N/cm2) mín.180 mín.150 mín.130 -

(*)RTU (N/cm2) mín.0,28 mín.0,30 mín.0,28 -

(*)característica mandatária (+)característica orientativa

Siglas: AM: azul de metilenoRCV: resistência à compressão a verdeRCQ: resistência à compressão a quenteRTU: resistência à tração a úmida

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1.15-BETONITA SÓDICA PARA FUNDIÇÃO DE ALUMÍNIO

Bentonita sódica é frequentemente chamada de argila inchada. Na presença de água, a bentonita sódica incha cerca de 10 a 15 vezes o seu volume original. Este inchamento alto resulta em uma areia com pobre fluxibilidade quando comparado com bentonita cálcica. Isto vai resultar em menos compactação e aderência nas paredes dos silos.

A bentonita sódica possui melhor resistência a sêco e a quente, sendo as vezes necessária para prevenir erosão, quebras, lavagem e defeitos de expansão. Todavia a massa de alumínio no molde de areia a verde nunca tem uma temperatura alta o suficiente para retirar a umidade retida na bentonita sódica.

Devido a grande quantidade de água retida na bentonita sódica a areia exibe pobre característica de desmoldabilidade, causando alto custo de mão de obra, maior tempo de limpeza das peças e maior desgaste dos equipamento. Uma pequena quantidade de bentonita sódica pode ser necessária para peças grandes ou com geometria especial, para aumentar a resitência a quente nos canais e superfícies com muita expansão. Também para melhorar a deformação a verde de forma a promover fácil extração do molde do modelo sem quebras e melhor resistência na zona de condensação, desta forma reduz os defeitos de escama e rabo de rato. Tipicamente são usadas misturas de bentonita cálcica e sódica em sitemas de areia para fundição de alumínio(4).

1.16-BENTONITA CÁLCICA PARA FUNDIÇÃO DE ALUMÍNIO

Bentonita cálcica é a principal argila usada em sistema de areia para fundição de alumínio. Pequenas quantidades de bentonita sódica podem ser adicionadas para certas geometrias de peças.

A bentonita cálcica promove boa fluidez da mistura. Com igual teor de argila e nível de água, bentonita cálcica apresenta alta resistência a verde com o mesmo tempo de mistura quando comparada com bentonita sódica.

A bentonita cálcica apresenta baixa resistência a quente e a seco que a bentonita sódica. Com igual teor de bentonita e percentual de água. Alta resistência a quente não é necessário com ligas de alumínio, devido a temperatura de vazamento que usualmente não ultrapassa 760º C. A baixa resistência a quente ajuda a separar a peça no desmoldador e reduz a possibilidade de trinca a quente e quebra das peças.

Uma areia com muita resistência no desmoldador pode causar sérios problemas no sistema de areia. Quando usar bentonita cálcica, os pedaços de areia e torrões grossos quebram–se facilmente no desmoldados e podem ser transportados para os silos(4).

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1.17-ÁGUA

Considerações Gerais: recomenda-se o uso de água potável, ou pelo menos, água com ausência ou com teores insignificantes de K2CO3, Na2CO3, NaOH, CaC12, Na2SO3, e Na2SO4.

Característica desejável: - teor de sais (resíduo): máx. 0,2 g/l(1).

A presença de sais contendo íons, tais como o Cl-, gera uma quebra nas ligações das moléculas de água, passando a ter um sistema desorientado com consequente queda na resistência tração a úmido (RTU). Dificilmente pode-se anular o efeito maléfico de algum sal. Embora a teoria química ensine que se pode neutralizar ácidos em bases, na prática a coisa muda e isto pode levar a uma salinização maior(7).

Fazendo o controle do pH da água não é um indicativo, da salinização da água, adições propositais de eletrólitos mostraram, sem exceção.

A ação dos sais deletérios está diretamente relacionada com a RTU. A dessanilização da água deveria fazer parte do sistema de areia (por meio de trocadores de íons). Os saís também afetam a refratariedade da areia, gerando reações metal molde e sinterização. Deve-se tomar muito cuidado com a água empregada nos sistemas de resfriamento de areia, visto que a mesma é evaporada, incorporando o sal na mistura de areia(7).

A RTU perdida pode ser recuperada pela adição de areia nova e bentonita no sistema, sendo esta medida a mais acertada(7). Em alguns casos pode-se adicionar Na2CO3, em outros pode-se adicionar bentonita cálcica.

A resistência compressão a verde (RCV) não é um indicativo da salinização da areia(7).

Fig. 13–ORDENAÇÃO DAS MOLÉCULAS DE ÁGUA E A INTERFERÊNCIA DE ÂNIOS NAS PONTES DE LIGAÇÃO DAS MOLÉCULAS DE ÁGUA(7).

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BIBLIOGRAGIA

1-CEMP- COMISSÃO DE ESTUDOS DE MATÉRIA PRIMAS. Processo de moldagem em areia a verde, Fundição E Matérias Primas, Caderno Técnico, São Paulo – SP, no13, jul/ago, 1996.

2-MARIOTTO, Claudio Luís. Areias de moldagem aglomeradas com argila, Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo, 1979.

3-ROMANUS, Arnaldo. Areias de moldagem a verde, Vol 1, 1a. ed. São Paulo, 1991.

4-AFS-Americam Foundrymen’s Society. Aluminum Casting Technology, 2ª ed. Illinois, USA, 1993.

5-DEMATTÉ, César Luiz; DEMATTÉ, Célio José. Arnosa – Argilas e Minérios Nordestinos, Bentonita: Caracterização, Beneficiamento e Uso no Brasil, João Pessoa, Agosto, 1983.

6-AMERICAN COLLOID COMPANY. Volclay Bentonite, Illinois, 1963.

7-BOENISCH, Dietmar. Casting surfaces improved by water desalination, Giesserei:66, Aechen, 1979.

8-SANTOS, José A.; BARBOSA, Ricardo; MEDEIROS, Maurício R. Por que usar pó de carvão cardiff em areia de moldagem, Fundição e Serviços, São Paulo, p70-77, Jun/Jul. 1995.

9-PIERRI, Renato R.; OSTAEDE, Lucien V. Preparação de areia utilizando o processo Speedmullor, Fundição e Matérias Primas – Guia de equipamentos e insumos, out. 1987.

10-ROMANUS, Arnaldo. Análises em areia de moldagem a verde, São Paulo, mai. 1997.

11-AFS-American Foundrymen’s Society. An operating guide to high-density molding, 1a. ed. Illinois, 1993.

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