INFLUÊNCIA DA ADIÇÃO DE AREIA DE FUNDIÇÃO COMO SUBSTITUTO PARCIAL DA SÍLICA EM VIDROS DO SISTEMA Na2O-CaO-SiO2

M.V.Folgueras, M. Tomiyama, T.J.B. Schmitt (1)

Universidade do Estado de Santa Catarina – UDESC

Programa de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiais – PGCEM Rua Paulo Malschitzki, s/n. Zona Industrial Norte – Joinville – SC.

*masahiro.tomiyama@udesc.br

RESUMO

Na indústria cerâmica existe interesse no desenvolvimento de novos produtos,

sendo uma opção a utilização de matérias primas alternativas de baixo custo, mas

com desempenho adequado, para a obtenção de produtos com propriedades

diferenciadas ou otimizadas. Os vidros e vitrocerâmicos são materiais em que o uso

de resíduos sólidos industriais e agroindustriais é uma possibilidade viável. Neste

trabalho são apresentados resultados obtidos a partir da síntese de vidro do sistema

ternário Na2O-CaO-SiO2 de composição molar de 11% de Na2O-15% de CaO e

74% de SiO2. Como matérias primas foram utilizadas carbonatos de sódio e Cálcio

e sílica, na forma de quartzo comercial ou areia de fundição. Os vidros foram obtidos

por fusão a 1550º.C, seguido por resfriamento ao ar. Após a fusão foi realizado

tratamento térmico na temperatura de 900º.C. Todos os materiais foram

caracterizados por difratometria de raios X. Os resultados mostraram a viabilidade

de síntese do vidro e a possibilidade de incorporar o resíduo de areia descartada de

fundição, sendo que a adição deste resíduo não interferiu na estabilidade do vidro.

PALAVRAS CHAVE: Areia de fundição, vidros, resíduos sólidos

INTRODUÇÃO

A indústria de vidros, que produz materiais cuja principal característica é a

transparência ótica, é um setor importante no universo dos materiais cerâmicos

[CADIOLI, 2009].. Para um grande grupo de materiais vítreos os componentes

principais utilizados em sua produção são SiO2, Na2O e CaO. Na sua grande maioria

os vidros inorgânicos podem ser transformados de um estado não-cristalino para um

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estado cristalino através de um tratamento térmico, envolvendo a possibilidade do

uso de agentes nucleantes. Tal processo é conhecido como devitrificação, e o

produto consiste em um material policristalino com grãos finos de elevada

resistência chamado de vitrocerâmico [CADIOLI, 2009; CALLISTER, 2006].

Dentre os sistemas vitrocerâmicos, aqueles constituídos por SiO2 – Al2O3 – X

são os mais indicados para formulação de vidro e vitrocerâmicos, onde o “X” pode

variar em: Li2O, MgO, CaO e Na2O [NEVES, 2002; KNIESS, 2001].

Este sistema ternário tem atraído a atenção das pesquisas devido à sua

importância para a indústria do vidro, principalmente com o aproveitamento resíduos

industriais à base de SiO2. Um exemplo é a utilização das cinzas provenientes da

incineração de resíduos sólidos urbanos na fabricação de vidro. O sistema ternário

Na2O-CaO-SiO2 mostrou ser importante para as transformações de fase durante o

processamento térmico das cinzas, especialmente para teores de sílica inferior,

onde diferentes fases cristalinas podem aparecer durante o tratamento de

cristalização, dependendo da composição da cinza [ZHANG, 2011].

Outro exemplo de resíduo industrial que pode ser usado na produção de

vidros e vitrocerâmicos, vem da indústria de fundição. Hoje, o grande problema das

empresas de fundição são os seus resíduos sólidos, constituídos dos excedentes

das areias usadas na confecção dos moldes e machos. Os grandes volumes de

resíduos bem como os impactos ambientais gerados por esses resíduos tornam a

fundição um grande gerador de resíduos [BONET, 2002].

A disposição dos resíduos de areias de fundição em aterros industriais,

quando não monitorado, pode gerar problemas ambientais, devido ao volume

produzido. Além disso, acarreta um problema adicional, pois os órgãos e

regulamentos ambientais estão obrigando as empresas a destinarem seus resíduos

em aterros cada vez mais distantes do local gerado, aumentando consideravelmente

os custos envolvidos. Nesse segmento, entre muito outros, a tecnologia “fim de tubo”

acaba se tornando quase que inviável em todos os sentidos [BONET, 2002].

Esse trabalho teve como objetivo a síntese do vidro do sistema ternário Na2O-

CaO-SiO2 nas formas pura e com substituição de 50% de SiO2 por areia de fundição,

com a finalidade de verificar o impacto da adição da areia na cristalinidade do vidro.

A técnica de difratometria de raios X auxiliou na identificação das fases cristalinas

formadas durante tratamento térmico de cristalização.

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MATERIAIS E MÉTODOS

Para a obtenção dos vidros do sistema Na2O-CaO-SiO2 foram utilizadas

matérias primas comerciais na forma de carbonato de cálcio, carbonato de sódio e

areia comercial. Os materiais foram combinados em proporção que permitiu a

obtenção de um material com composição molar de 11% de Na2O, 15% de CaO e

74% de SiO2. Para o vidro com resíduo substituiu-se 50% do quartzo por areia de

fundição. A areia de fundição ADF foi disponibilidade por uma fundição da região de

Santa Catarina.

As matérias-primas foram misturadas em moinho periquito por 20 minutos e

em seguida o pó foi transferido para um cadinho de alumina, que foi colocado no

forno. A temperatura de fusão foi de 1550⁰C.

Os vidros, sem areia descartada e com 50% de areia descartada, foram

preparados através de fusão em cadinho de alumina, na temperatura de 1550oC por

1 hora. A taxa de aquecimento foi mantida em 10oC/min até 1550oC.

Os vidros foram tratados termicamente à temperatura de 500ºC por 40

minutos para alívio de tensões e posteriormente foram cortados com disco

diamantado. Cada fração do vidro foi submetida a tratamento térmico de

cristalização na temperatura de 900°C por uma hora.

O vidro cristalizado foi caracterizado por difratometria de raios-x e microscopia

ótica e eletrônica. Foi utilizado um Microscópio Eletrônico de Varredura com efeito

de Campo, marca JEOL, modelo JSM-6701F através do sistema de elétrons

secundários (SE) e com distância de objeto de 8 mm.

Utilizou-se um difratômetro de raios X (DRX) da marca SHIMADZU, modelo

X-RAY DIFFRACTOMETER LAB X XRD-6000, com tudo de cobre. Para obtenção

dos difratogramas de raios X utilizou-se uma tensão de 40 kV e intensidade de

corrente de 30mA, sendo o intervalo angular de varredura de 5° a 80°, com

deslocamento do goniômetro de 2º/min em função de 2 para observação das fases

cristalinas.

RESULTADOS E DISCUSSÕES

O resíduo de areia de fundição foi caracterizado por fluorescência de raios-x

(Tab.1) e difratometria de raios-x (Tab. 2). Este resíduo apresenta como

constituintes majoritários sílica e alumina, correspondendo a 88% em peso do

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material. É importante destacar o elevado teor de ferro que deve atuar na coloração

do vidro e também na redução da viscosidade do mesmo. A difratometria de raios-x

permitiu a identificação da presença da sílica, na forma de quartzo, e bentonita como

argilomineral.

Tabela 1- Composição química da areia descartada de fundição

SiO2 Al2O3 Fe2O3 TiO2 CaO MgO K2O Na2O Outros PF*

78,51 9,49 3,47 0,60 0,65 1,21 0,90 0,87 0,99 3,31

* Perda ao fogo

As matérias primas foram combinadas nas proporções necessárias para

garantir a obtenção de vidros com composição química próxima a 11% em peso de

Na2O, 15% em peso de CaO e 74% em peso de SiO2. Os difratogramas de raios-x

destas misturas, produzidas com o uso de areia comercial, ou com o uso de areia

descartada de fundição mostraram resultados semelhantes, permitindo a

identificação da presença de quartzo, carbonato de cálcio e carbonato de sódio.

Figura 1– Difratograma de raios-x representativo das duas misturas

produzidas para a síntese dos vidros.

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Os vidros obtidos por aquecimento a 1550oC, seguido de resfriamento ao ar

em molde de grafita estão representados na Figura 2. É evidente o efeito

pigmentante das impurezas da areia descartada de fundição, que resultou na

coloração verde escuro para o vidro desenvolvido com o uso desta matéria prima.

Figura 2 – Imagem dos vidros obtidos por fundição a 1550oC e resfriamento ao ar

em molde de grafita.

A Tabela 2 apresenta os resultados da análise química dos vidros obtidos.

Percebe-se que a introdução da areia descartada de fundição resulta no aumento do

teor de óxido de alumínio e óxido de ferro. A presença do oxido de alumínio pode

resultar em aumento da viscosidade da massa fundida, e também em aumento da

resistência do vidro obtido. A presença do ferro pode resultar em redução da

temperatura de fusão da massa, entretanto interfere na coloração do vidro. A

presença do óxido de alumínio pode ser associado à areia descartada de fundição

ou à interação entre a massa fundida e o cadinho usado na fusão.

Tabela 2 – Composição dos vidros obtidos por fusão ao 15500C e resfriamento ao ar

em molde de grafita.

Vidro % em massa

SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO Na2O

Com ADF 61,09 2,59 12,90 15,47 7,95

Com Areia comercial 74,02 1,82 0,06 15,63 8,47

Composição proposta 74,00 15,00 11,00

O difratograma de raios-x do vidro obtido sem o uso da areia descartada de

fundição está representado na Figura 3. Neste é identificada a formação de um hallo

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amorfo, característico de materiais vítreos, sem a presença de picos característicos

da presença de fases cristalinas. O uso da areia de fundição em substituição à areia

comercial não resultou em mudanças nos resultados de difratometria.

Figura 3 – Difratograma de raios-x do vidro produzido com o uso de areia comercial,

com fusão .a 1550oC e resfriamento ao ar.

Os vidros submetidos a tratamento térmico de cristalização a 900oC por uma

hora apresentaram mudança de coloração evidente com redução de sua

transparência, o que confirma a formação de fases cristalinas. O vidro obtido com o

uso de areia comercial resultou em um vitrocerâmico de coloração branca e opaco.

O vidro obtido com o uso de areia descartada de fundição resultou em vitrocerâmico

de coloração verde e aparência translucida.

A Figura 4 apresenta imagens obtidas por microscopia ótica dos

vitrocerâmicos. Para o vitrocerâmico produzido com areia comercial a cristalização é

predominantemente superficial (Fig. 4a e b), enquanto para o vitrocerâmico

produzido com areia descartada de fundição (Fig. 4c e d), existe formação de cristais

no volume.

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Figura 4 – Micrografia obtidas por microscopia ótica dos vidros submetidos ao

tratamento térmico de cristalização a 900oC. (a) (b) vidro sem ADF; (c) (d) vidro com

ADF.

As micrografias apresentadas na Figura 5 foram obtidas por microscopia

eletrônica de varredura. Estas imagens correspondem aos vidros submetidos a

tratamento térmico de cristalização a 900oC por uma hora. Ambos vidros apresentam

a formação de cristais com morfologia acicular sendo que para o vidro produzido

com a areia descartada de fundição os cristais formados na superfície da peça

apresentam características de dimensão e orientação diferente dos cristais formados

no volume. Para os vidros obtidos sem o uso da areia de fundição existe a presença

de um núcleo central vítreo sem a evidência de presença de núcleos cristalinos.

Assim, pode-se afirmar que o uso da areia descartada de fundição promoveu o

favorecimento da cristalização predominantemente volumétrica.

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Figura 5 – micrografia obtidas por microscopia eletrônica de varredura dos vidros

submetidos ao tratamento térmico de cristalização a 900oC. (a) (b) (c) vidro sem

ADF; (c) (d) (f) vidro com ADF.

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O vidro em estudo Na2O-CaO-SiO2 nas proporções: 11% de Na2O, 15% de

CaO e 74% de SiO2, é um vidro homogêneo, transparente e incolor. Já o vidro com

adição de areia de fundição apresentou viscosidade elevada e coloração escura. O

vidro obtido sem o uso de areia descartada de fundição apresentou cristalização

predominantemente superficial com a formação de vitrocerâmico de coloração

branca, por sua vez o uso da areia descartada de fundição favoreceu a cristalização

volumétrica, produzindo um vitrocerâmico de coloração esverdeada. Assim, pode-se

afirmar que é possível a obtenção de vidros utilizando a areia descartada de

fundição como matéria prima, entretanto este vidro terá coloração fortemente

influenciada pelo teor de ferro presente nesta areia. Este vidro pode ser empregado

para a obtenção de vitrocerâmicos tanto a partir do pó como de peças vítreas

monolíticas.

AGRADECIMENTOS: Os autores agradecem à FAPESC pelo apoio financeiro

REFERÊNCIAS:

CADIOLI, L.P.; BAITELO, L.G. Materiais Cerâmicos: Um estudo sobre vitrocerâmico.

Revista de Ciências Exatas e Tecnologia. v. IV, nº. 4, 2009.

CALLISTER, W.D. Ciência e Engenharia de Materiais: uma introdução. 5. ed. Rio

de Janeiro: LCT, 2006.

NEVES, E. Obtenção de material vitrocerâmico a partir de cinza pesada de carvão mineral. 2002, 102p. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais)

- Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis.

KNIESS, C. T. Utilização de cinzas pesadas de carvão mineral com adição de óxido de lítio na obtenção de materiais vitrocerâmicos. 2001, 135p. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) UFSC, Florianópolis.

BONET, Ivan I. Valorização do Resíduo Areia de Fundição (RAF): Incorporação nas Massas Asfálticas do Tipo C.B.U.Q. 2002. 131 f. Dissertação (Mestrado em

Engenharia) – Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 2002.

Zhang, Z.; et. al. Phase Equilibria in the Na2O–CaO–SiO2 System. Journal of the American Ceramic Society, 94 [9] p. 3088–3093 (2011).

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CONCLUSÕES

COMPARATIVE STUDY OF THE INFLUENCE ADDITION OF FOUNDRY SAND AS A

PARTIAL REPLACEMENT OF SILICA SYSTEM Na2O-CaO-SiO2

Abstract.

The ceramic industries have great interest in developing new products. A possibility

is the use of alternative raw materials of low cost like industrial wastes. These raw

materials must be appropriate to ensure the attainment of products with improved

properties. Glass and glass-ceramics are materials in which the use of industrial and

agro industrial solid waste is a reality. This paper presents results obtained from the

study of glass synthesis in the ternary system Na2O-CaO-SiO2 with composition of

11% Na2O-15% CaO and 74% SiO2 wt. As raw materials were used sodium and

calcium carbonate and sands. The sand used were termed as commercial sand and

foundry discarded sand. The glasses were obtained by fusion at 1550oC, followed by

cooling in air. Glass-ceramics were produced by thermal treatment of glasses at

900oC. The glasses and glass-ceramics were characterized by X-ray diffraction and

scanning electron microscopy. The results showed the feasibility of producing

glasses and de possibility to incorporate the foundry-discarded sand.

Key-words: ternary system, glass, foundry sand.

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