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PCA – Pó de Carvão Aditivado:

Manual do Usuário Arnaldo Romanus ( * )

Introdução

O presente manual tem por finalidade básica prestar as devidas orientações

quanto ao uso correto do PCA (pó de carvão aditivado) por parte das fundições, de

modo a adotarem composições da areia a verde elaboradas sob um ponto de vista muito

técnico, sempre visando reduzir o refugo de peças, a ocorrência de quebras de moldes e

o descarte de areia de retorno, entre outros problemas.

Com a finalidade de se entender melhor os objetivos propostos será feita uma

descrição pormenorizada das principais variáveis que atuam sobre a performance da

areia a verde, para se poder efetuar sem qualquer receio a substituição do pó de carvão

Cardiff pelo PCA.

1. Composição básica da areia a verde

Simplesmente com o objetivo de confeccionar moldes, bastaria que a areia a

verde fosse preparada com os seguintes componentes:

areia de sílica;

bentonita;

água,

além de poder ser assim classificada:

areia de sistema: mistura de areia de retorno, areia base, bentonita e água;

areia de faceamento: uso exclusivo de areia base ou em mistura com areia de

retorno, além de bentonita e água;

areia de enchimento: mistura de areia de retorno com água, eventualmente

contendo certa quantidade de bentonita e de areia base.

Ao se partir para o emprego de máquinas de moldar de alta produtividade,

todavia, é praticamente proibitivo o uso de areia de faceamento, motivo pelo qual a

areia de sistema deverá ter uma qualidade tal que não apenas resulte num bom

acabamento das peças, mas que também evite a ocorrência de defeitos tais como

pinholes, bolhas de gás, penetração por explosão, escamas, rabos de rato e veiamento,

entre outros, bem como não poderá ocasionar quebras de bolos/cantos dos moldes e nem

tampouco sinterização nos fundidos.

Com o intuito de impedir ou, pelo menos, de atenuar significativamente alguns

dos defeitos/problemas citados, o fundidor acaba lançando mão de aditivos carbonáceos,

com destaque para o pó de carvão mineral.

2. Defeitos de fundição

2.1- Defeitos gasosos

Pinholes, bolhas de gás, bolsões de gás e penetração por explosão ocorrem

quando existe um excesso de umidade na areia a verde, principalmente se a mesma

estiver sob a forma de “água livre”, a qual, por sua vez, é oriunda das seguintes

variáveis:

deficiência de mistura;

renovação insuficiente do sistema.

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( * ) Engenheiro metalurgista. Diretor e sócio da Foundry Cursos e Orientação Ltda. e

da Romanus Tecnologia e Representações Ltda.

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Também a permeabilidade incorreta poderá piorar a incidência de defeitos

gasosos se não for viável trabalhar com um teor de voláteis relativamente baixo na areia

a verde, sendo que alterações inadequadas da primeira dessas características poderão ter

as seguintes causas básicas:

granulometria incorreta da areia base em uso na moldagem e/ou na macharia;

deficiência de mistura (no caso da permeabilidade ser muito baixa);

argila ativa fora da faixa especificada.

2.2- Acabamento rugoso / erosão dos moldes / inclusões de areia

Muitas vezes, com o intuito de evitar defeitos gasosos oriundos de baixa

permeabilidade, o fundidor acaba partindo para o emprego de areia base muito grossa, a

qual, por seu turno, poderá resultar em erosão dos moldes (por insuficiência de teor de

finos na areia a verde), bem como em inclusões de areia nas peças e em acabamento

rugoso das mesmas.

2.3- Sinterização de areia

Esse defeito que, às vezes, não consegue ser removido das peças nem mesmo

através de jateamento prolongado, pode ter as seguintes causas primárias:

insuficiência de aditivo carbonáceo na areia a verde;

uso de pó de carvão com baixo teor de carbono vítreo e/ou do tipo higroscópico;

excesso de umidade na areia de moldagem;

uso de areia base muito grossa;

excesso de argila ativa na areia a verde, com a situação se agravando ainda mais

se a bentonita empregada for do tipo sódica ativada (nacional);

excesso de sais na água industrial empregada na preparação da areia a verde e/ou

no resfriamento da areia de retorno;

excesso de “finos inertes” na areia de moldagem.

2.4- Entranhamento (penetração metálica)

Às vezes esse defeito também é erroneamente denominado de “sinterização”,

tendo o aspecto de metal que penetrou fortemente em pontos quentes e/ou de difícil

adensamento dos moldes, tais como as regiões dos ataques do sistema de alimentação e

em paredes laterais ou ainda em cavidades profundas.

Geralmente esse defeito exige rebarbação intensa para ser removido, o que

muitas vezes ocasiona perda das peças nessa operação de limpeza.

São as seguintes as principais causas desse defeito:

excesso de umidade da areia preparada, que dificulta a sua fluidez e

conseqüentemente também diminui o adensamento dos moldes;

insuficiência de pressão na rede de ar comprimido;

excesso de modelos na placa.

2.5- Defeitos de expansão

São assim chamados por serem oriundos da expansão que a areia de sílica sofre

durante o vazamento do metal, podendo surgir até mesmo em peças de alumínio já que

os mesmos ocorrem abaixo de 600 oC.

Os defeitos de expansão podem ser assim subdivididos:

a) rabos de rato: é o estágio anterior ao da formação de escamas, quando uma camada

de areia ressecada está sendo flexionada – sem chegar a romper – para dentro da

cavidade do molde que formará a peça; em outras palavras, é uma estria em baixo

relevo que se manifesta na superfície dos fundidos, a qual nem sempre chega a resultar

em refugo por esse defeito em si, porém poderá causar o deslocamento de grãos de areia

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do molde, o que, por sua vez, provocará o aparecimento de inclusões dos mesmos nas

peças;

b) escamas: é o estágio posterior ao da formação de rabos de rato, quando uma camada

ressecada do molde não apenas flexiona para dentro da cavidade que formará a peça,

mas que inclusive chega a romper; embora nem sempre o produto fundido venha a ser

refugado em função desse defeito – devido à sua localização, entre outros fatores –,

certamente acaba-se tendo a ocorrência de inclusões de areia até mesmo grosseiras no

mesmo;

c) veiamento: trata-se de uma estria em alto relevo existente na superfície das peças, a

qual muitas vezes não resulta em refugo, porém exige um excessivo trabalho de

rebarbação para a sua remoção, já que, dependendo de sua localização, nem sempre se

consegue eliminá-la por meio de jateamento intensivo.

No tocante à origem desses defeitos, convém esclarecer o seguinte:

a) rabos de rato e escamas: normalmente possuem as seguintes causas básicas:

baixa RTU (resistência à tração a úmido) da areia a verde, por sua vez oriunda

das seguintes variáveis principais:

- deficiência de mistura;

- uso de bentonita com baixa RTU;

- insuficiência de argila ativa;

- excesso de “finos inertes”;

fortes tensões de compressão dos moldes, provenientes das seguintes variáveis

fundamentais:

- excesso de “finos inertes”;

- teor de finos demasiadamente elevado;

- grau de compactação muito forte;

b) veiamento: não é um defeito muito estudado na areia a verde, pelo fato de que a sua

ocorrência é mais típica das regiões feitas por machos (principalmente de “cold-box”);

todavia, pelo que se sabe, a causa elementar que pode fazer com que o mesmo surja

também por meio do molde é a seguinte:

resistências elevadas demais, que fazem com que o molde fique muito rígido até

o metal completar totalmente a sua cavidade, porém que logo em seguida se

enfraquecem e permitem a rachadura em determinados locais (por onde o metal

ainda líquido acaba penetrando).

3. Pó de carvão mineral

3.1- Definição

Também conhecido por “Cardiff”, o pó de carvão mineral é um material

orgânico que se decompõe por ação térmica em vários produtos gasosos, plásticos e

sólidos, sendo que a fração plástica, que contém o alcatrão, aparentemente é a mais

importante por possuir compostos ricos em carbono, tais como benzeno, tolueno, xileno

e naftaleno ( 1 ).

3.2- Finalidades de utilização

São várias as razões que justificam o uso do pó de carvão mineral na areia a

verde, porém merecem destaque os seguintes efeitos que o mesmo ocasiona:

melhora do acabamento das peças;

redução da aderência de areia aos fundidos.

3.3- Mecanismos de ação protetora

Basicamente são três as teorias que visam explicar os mecanismos de ação

protetora do pó de carvão sobre os fundidos, cada uma envolvendo a decomposição

térmica do aditivo ( 2 ):

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a) teoria do colchão de gás: a reação metal-molde é inibida tanto por uma camada de

bolhas descontínuas como por uma evolução de gases, que se interpõem entre a areia e o

metal líquido. Entretanto, essa teoria não foi comprovada experimentalmente e, por

conseqüência, é questionável.

Nota: o autor do presente trabalho acredita na validade dessa teoria, pois experiências

particulares realizadas numa fundição visando melhorar a colapsibilidade dos moldes

durante a desmoldagem das peças através da substituição do pó de carvão mineral

(numa época em que este se encontrava em falta no mercado) por farinha de madeira

não apenas apresentaram resultados benéficos nesse sentido, mas, surpreendentemente,

conseguiu-se inclusive eliminar problemas de sinterização de areia às peças existentes

na ocasião; como, todavia, a farinha de madeira forma uma quantidade muito pequena

de carbono vítreo, a explicação mais lógica para esse fenômeno é a de que o seu elevado

teor de voláteis teria gerado uma camada de gases suficiente para evitar a reação metal-

molde que levaria à sinterização;

b) teoria da atmosfera redutora: o aditivo carbonáceo disperso na areia a verde cria no

molde uma atmosfera de gases redutores que previne contra a oxidação do metal líquido

na interface areia-metal, evitando assim a formação da faialita, que causa penetração

metálica e sinterização total;

c) teoria do carbono vítreo: o uso de aditivos carbonáceos produz voláteis que, por meio

de pirólise, depositam-se como carbono vítreo na interface areia/metal. Essa deposição

age como uma barreira física contra a formação da faialita e, além disso, não é molhável

pelo metal líquido.

Já de acordo com Marcheze et al ( 1 ), são as seguintes as teorias que procuram

explicar o efeito dos aditivos carbonáceos sobre o acabamento superficial das peças:

a) formação de um colchão de gás que reduz o contato metal/molde;

b) envolvimento dos grãos de areia por finas camadas de carbono;

c) formação de uma atmosfera redutora na interface metal/molde;

d) formação de uma película de carbono vítreo, originado a partir dos hidrocarbonetos

voláteis mais pesados,

sendo que, segundo levantamentos bibliográficos ( 3 – 5 ) efetuados por esses

pesquisadores ( 1 ), as duas últimas teorias são as mais aceitas.

Por sua vez, Novelli e Rinaldi ( 6 ) afirmam que é o carbono vítreo, estado

alotrópico do carbono e muito próximo estruturalmente da grafita obtida por pirólise,

com ampla superfície específica e formado a partir dos hidrocarbonetos pesados

desprendidos durante o contato com o metal líquido, o responsável pela melhora do

acabamento superficial das peças ( 4, 5 ).

3.4- Efeitos colaterais

Como, antes de gerar carbono vítreo, o pó de carvão libera voláteis durante a sua

decomposição térmica, se a areia a verde já estiver com excesso de umidade certamente

a tendência à formação de defeitos gasosos nas peças aumenta ao se passar a empregar

uma maior quantidade de aditivo carbonáceo nas misturas como forma de procurar

diminuir a sinterização de areia aos fundidos.

Outro aspecto crítico é o fato de que, durante o vazamento do metal, o pó de

carvão não apenas libera carbono vítreo, mas também forma partículas de coque, as

quais possuem pelo menos dois efeitos colaterais:

aumento da umidade da areia preparada a um mesmo nível de compactabilidade,

já que o coque formado, por ser poroso, resulta num incremento da quantidade

de “água livre”, sendo que isso certamente piora a possibilidade de ocorrência de

defeitos gasosos nas peças;

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formação de pelotas metálicas aderidas à superfície dos fundidos, em função da

queima desse coque durante o vazamento do metal nos ciclos posteriores ao de

sua formação.

Ainda no tocante às partículas de coque, dados práticos de várias fundições

comprovam que carvões altamente higroscópicos aumentam excessivamente a relação

perda ao fogo / voláteis, ou seja, resultam numa maior formação desses componentes

porosos na areia a verde.

3.5- Adição ótima de pó de carvão mineral

Embora a proporção ideal de pó de carvão em relação à quantidade de bentonita

que normalmente é adicionada à areia a verde possa variar muito de uma fundição para

outra em função de uma série de fatores, geralmente são as seguintes as proporções em

peso entre ambos os produtos, respectivamente, quando se estiver trabalhando com um

teor adequado de argila ativa:

para 100 % de bentonita sódica ativada: 0,2/1 – 0,3/1 ;

para 100 % de bentonita sódica natural: 0,4/1 – 0,5/1,

sendo que, se forem empregados simultaneamente os dois tipos de bentonitas,

logicamente a proporção de pó de carvão em relação à soma de ambos os produtos sofre

a devida modificação.

Na condição de que a fundição adote o método de ensaio recomendado pelo

autor deste trabalho em seu livro “Moldagem em Areia a Verde: Manual de Defeitos

& Soluções” ( 7 ), são os seguintes os valores considerados ideais para os voláteis (V), a

perda ao fogo (PF) e a relação perda ao fogo / voláteis em função do tipo de liga

metálica, ao se utilizar pó de carvão Cardiff na areia a verde:

voláteis: - ferros fundidos e aços: 2,5 – 3,5 %

- alumínio e ligas de cobre: 2,0 – 3,0 %

perda ao fogo: - ferros fundidos e aços: 4,0 – 5,5 %

- ligas de cobre: 3,5 – 5,0 %

- alumínio: 2,2 – 3,2 %

relação PF/V: - ferros fundidos e aços: 1,40 – 1,70

- ligas de cobre: 1,30 – 1,60

- alumínio: 1,10 – 1,30.

3.6- Especificação

Sob hipótese nenhuma as fundições poderiam utilizar outro pó de carvão

Cardiff que não seja o tipo “A”, caso contrário se teria mais efeitos colaterais do que

soluções.

Assim sendo, sugere-se que seja adotada a seguinte especificação para esse

aditivo carbonáceo:

voláteis (V): mín. 30 %

carbono vítreo (Cv): mín. 9,0 %

relação V/Cv: 2,9 – 3,3

cinzas: máx. 15 %

enxofre: máx. 1,5 %

umidade: máx. 3,0 %

retenção na # 40: máx. 5,0 %

retenção na # 200: 45 – 65 %.

Especificamente no tocante à umidade e à granulometria convém comentar o

seguinte:

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a) umidade: desde que haja a devida orientação da assistência técnica do produtor de pó

de carvão, é possível que as fundições utilizem sem maiores problemas um produto com

essa característica alcançando até cerca de 6,0 % de teor;

b) granulometria: na condição de que a fundição receba a adequada assistência técnica

por parte do fornecedor de pó de carvão, é viável que se utilize um material

consideravelmente mais grosso que o anteriormente sugerido, o qual não apenas queima

em menor intensidade sob condições apropriadas de relação areia/metal média (gerando,

portanto, uma maior quantidade de carbono vítreo), mas também não é sugado com

excessiva intensidade pelo sistema de exaustão.

4. Composição técnica da areia a verde (válida para o uso de Cardiff)

Para se definir a composição técnica da areia a verde mediante o emprego de pó

de carvão Cardiff, tudo começa com três dados fundamentais, conforme segue:

determinação do grau de incorporação de resíduos de machos (AM) à areia de

retorno (em termos de porcentagem), sendo que, quando a regeneração de

machos é feita meramente por atrito mecânico, também este produto deverá ser

encarado como se fosse areia de machos (AM);

cálculo da relação areia/metal média (RAM) mensal (ou de um determinado

período específico), ou seja, divide-se o peso da areia a verde que de fato foi

utilizada na confecção dos moldes (descontando-se o peso dos moldes refugados

e também o peso da areia raspada dos moldes durante o seu processo de

confecção) pelo peso bruto de metal efetivamente vazado nos mesmos;

avaliação do nível de componentes deletérios existentes na areia de retorno,

levando-se em consideração os seguintes aspectos:

- se a fundição não utiliza machos na produção de suas peças e se simultaneamente

alcança uma ótima eficiência de mistura, se possui resfriador que permita obter no

máximo 45 oC na areia de retorno na entrada do misturador, se o sistema de exaustão de

“finos inertes” estiver funcionando a contento e se utilizar bentonita(s) de excelente

qualidade, então se poderá adotar o fator de renovação F = 10;

- se a fundição utilizar uma quantidade excessiva de machos “cold-box”, tiver uma

péssima eficiência de mistura, não possuir resfriador e nem tampouco sistema de

exaustão de “finos inertes” e se não empregar bentonita(s) de qualidade muito boa,

então se deverá utilizar um fator F = 30 (o qual poderá chegar a F = 50 quando houver

uma incidência excessiva de defeitos atribuíveis à areia a verde, principalmente pinholes

e penetração por explosão);

- se a fundição utilizar uma quantidade bastante grande de machos (principalmente

“cold-box”), porém se tiver uma boa eficiência de mistura, se conseguir resfriar a areia

de retorno até abaixo de 45 oC na entrada do misturador e se o sistema de exaustão

estiver funcionando a contento, recomenda-se iniciar o acerto da performance da areia a

verde geralmente com fator F = 25, o qual poderá ser gradativamente diminuído até

fator F = 15, neste caso desde que a(s) bentonita(s) em uso seja(m) de excelente

qualidade.

Partindo do princípio que uma dada fundição tenha:

- um grau médio de incorporação de machos AM = 3,0 %;

- uma relação areia/metal média RAM = 6 (ou seja, 6/1);

- uma eficiência de mistura relativamente boa (porém não excelente);

- um sistema de exaustão de “finos inertes” que não funcione a contento;

- um resfriador que nem sempre consiga fazer com que a areia de retorno fique com

temperatura inferior a 45 oC na entrada do misturador,

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então inicialmente se poderia adotar um fator F = 30, mediante o qual se passaria a ter a

seguinte necessidade de adição de areia base (AB) às misturas de areia a verde:

AB = (F/RAM) – AM = (30/6) – 3,0 = 5,0 – 3,0 = 2,0 %,

ou seja, dever-se-ia adicionar 2,0 % de areia base em todas as misturas até se conseguir

reduzir substancialmente os defeitos/problemas atribuíveis à areia a verde, quando então

se poderia tentar diminuir aos poucos até F = 15 o grau de renovação do sistema (desde

que isso não resulte numa adição negativa de areia base às misturas, como acabaria

ocorrendo no caso do exemplo citado).

Já no tocante às adições de bentonita e de pó de carvão Cardiff, uma vez tendo-

se definido o grau de renovação que se pretende ter no sistema de areia a verde deve-se

também estabelecer os teores de argila ativa e de voláteis com os quais se deseja

trabalhar, bem como as bentonitas e o pó de carvão a serem utilizados durante um

período não inferior a 3 (três) meses consecutivos, para então se poder calcular os graus

de queima desses componentes em função dos teores estabelecidos para estas

características e dos resultados efetivamente alcançados na areia a verde.

Como se verá mais adiante, em se tratando do PCA, no entanto, existe a

possibilidade de se zerar a adição de areia base às misturas mesmo quando se tem uma

elevada incorporação de machos “cold-box” à areia de retorno, desde que sempre se

consiga alcançar uma boa eficiência de mistura, que se tenha uma exaustão adequada

dos “finos inertes”, que se obtenha uma temperatura da areia de retorno inferior a 45 oC

na entrada do misturador e que se utilize bentonita(s) de ótima qualidade.

5. PCA (Pó de Carvão Aditivado)

5.1- Considerações gerais

O aspecto mais crítico atualmente existente na maioria das fundições é o elevado

custo da areia de retorno depositada em aterro industrial, com a situação se tornando

ainda pior se houver a necessidade de se efetuar uma demasiada adição de areia base às

misturas de areia a verde, neste caso visando solucionar diversos defeitos ou problemas,

tais como gases, entranhamento e sinterização.

Outro problema existente é o fato de que o uso de macharia “cold-box” aumenta

consideravelmente a “água livre” e, portanto, também a umidade da areia a verde a um

determinado nível de compactabilidade, praticamente obrigando o fundidor a utilizar

um maior grau de renovação do sistema mediante a adição de areia base às misturas da

areia de moldagem numa quantidade até mesmo superior à normalmente empregada

para o processo “shell”, ao se utilizar pó de carvão Cardiff como aditivo carbonáceo.

Mesmo incorporando uma elevada quantidade de areia base à areia a verde, nem

sempre, em função de uma considerável deficiência de mistura e/ou de uma má

eficiência de exaustão dos “finos inertes”, o fundidor consegue trabalhar com um teor

de umidade adequado para poder produzir moldes com a dureza necessária em sistemas

automatizados, havendo ainda a necessidade de partir para o emprego pelo menos

parcial de bentonita sódica natural (importada), de modo a poder então adotar um menor

teor de argila ativa.

Ainda como forma de tentar reduzir a incidência de defeitos gasosos nos

fundidos, na maioria das vezes torna-se necessário trabalhar com areia base

relativamente grossa tanto na moldagem como na macharia, o que, por sua vez, resulta

num acabamento das peças nem sempre considerado satisfatório.

Um componente normalmente apontado como “vilão” na areia a verde é o pó de

carvão Cardiff, mesmo que seja do tipo “A”, pelo fato de reduzir a sua permeabilidade

(conduzindo à formação de defeitos gasosos nas peças) e por aumentar o seu teor de

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enxofre (reduzindo a sua resistência à tração a úmido e, portanto, tornando o sistema de

moldagem bastante propício à ocorrência de defeitos de expansão nos fundidos).

Sempre com o intuito de diminuir a nocividade do aditivo carbonáceo à areia a

verde e, portanto, também às peças fundidas, já há várias décadas existem os chamados

“geradores de carbono vítreo” compostos (GCV), sendo que o próprio pó de carvão

Cardiff é um GCV, porém puro e, portanto, apresentando uma série de deficiências.

Os GCV tradicionais existentes certamente melhoram diversas características da

areia a verde, porém não a sua permeabilidade, visto que são obtidos a partir de

hidrocarbonetos insolúveis em água; além disso, para se poder alcançar, nos GCV, um

elevado teor de carbono vítreo em relação ao seu teor de voláteis, muitas vezes se parte

para a utilização, nos mesmos, de hidrocarbonetos com teor de enxofre até mesmo

superior ao existente na maioria dos pós de carvão Cardiff do tipo “A”.

O autor do presente trabalho, através de sua empresa Foundry, está investigando

ativamente os GCV desde 1993, quando procurou desenvolver esse tipo de material

para um produtor brasileiro de pó de carvão Cardiff, porém naquela ocasião somente

foram utilizados hidrocarbonetos insolúveis em água e não houve justificativa para as

fundições empregarem esse novo aditivo carbonáceo pelo fato de que o mesmo somente

aumentaria o custo final dos fundidos, motivo pelo qual, desde então e utilizando o seu

próprio laboratório e o da Coquesul, decidiu partir para o estudo de GCV elaborados a

partir de hidrocarbonetos solúveis em água, a serem utilizados puros ou em mistura com

o pó de carvão Cardiff, sendo que a partir dessa idéia nasceu o projeto do PCA (pó de

carvão aditivado), desenvolvido com exclusividade para a Coque do Sul (CDS).

5.2- Especificação

Tomando-se como referência os resultados normais dos ensaios do pó de carvão

mineral “AF”, da CDS, e de diversos hidrocarbonetos solúveis em água, foram

elaboradas várias formulações de PCA, para as quais, em princípio, é válida a seguinte

especificação (exceto para as situações em que se incorporam produtos completamente

diferentes em sua composição):

umidade: máx. 3,0 %

voláteis: 45 – 70 %

carbono vítreo: 15 – 22 %

cinzas: máx. 12 %

enxofre: máx. 1,2 %

granulometria: não aplicável.

Particularmente no tocante ao carbono vítreo, o teor total desse componente é

obtido a partir da soma dos valores dessa característica avaliada em duas temperaturas

distintas, conforme segue:

carbono vítreo em 400 oC: 8 – 19 %

carbono vítreo em 875 oC: 3 – 7 %,

sendo que, para os interessados, a Foundry fornecerá, mediante consulta expressa, a

metodologia correta para a realização desse ensaio.

5.3- Vantagens e eventuais efeitos colaterais

Desde que o PCA passou a ser utilizado rotineiramente por diversas fundições, a

partir de 2006, chegou-se aos seguintes resultados até o presente momento:

o PCA, ao contrário do pó de carvão Cardiff, praticamente exige que a areia a

verde esteja bastante “contaminada” com machos “cold-box”, com toda a

renovação do sistema podendo vir a ser efetuada exclusivamente por meio de

resíduos calcinados de macharia;

a permeabilidade da areia a verde tem condições de ser aumentada em mais de

50 AFS, permitindo que a fundição parta para o emprego de areia base mais fina

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na macharia como forma de melhorar o acabamento das peças, sem que isso

resulte no aparecimento de defeitos gasosos nas mesmas;

em função da drástica redução do grau de renovação do sistema (a ser alcançado

mediante a fortíssima diminuição ou até mesmo através da eliminação da areia

base na composição da areia a verde), existe a possibilidade de se reduzir em até

30 % a necessidade de adição de bentonita à areia de moldagem;

mediante o emprego de PCA, também será perfeitamente viável o uso de 100 %

de bentonita sódica ativada (nacional) para quem estiver utilizando até cerca de

30 % de sódica natural (importada) ou então se poderá alcançar uma redução

acentuada da necessidade do segundo produto se o mesmo participar em 50 %

ou mais do total de bentonita em uso na fundição;

como ponto de partida, pode-se estimar em 1/3 a necessidade de adição de PCA

em comparação ao pó de carvão Cardiff na composição da areia a verde, com a

redução da incorporação de aditivo carbonáceo às misturas chegando, em alguns

casos, a 75 %

Nota: em termos práticos, o ideal seria que a adição de PCA à areia a verde fosse

limitada em máx. 0,12 %, raramente podendo ser superior a 0,15 %, caso contrário

existe a possibilidade de se vir a ter saturação desse componente na mesma, o que, por

sua vez, resultará em queda dos voláteis e em aumento da relação perda ao fogo /

voláteis e da “água livre”, além de encarecer desnecessariamente a sua composição;

em função da drástica redução que o PCA origina na presença de “água livre” na

areia a verde, poderá haver uma diminuição superior a 0,5 % de umidade

calculada ao nível de 45 % de compactabilidade, o que elimina em definitivo a

possibilidade de ocorrência de defeitos gasosos nas peças (com destaque para o

de penetração por explosão);

o PCA permite que se trabalhe com até 0,5 % a menos de voláteis na areia a

verde do que o teor que seria necessário mediante o emprego de pó de carvão

Cardiff, sem que isso resulte numa piora da sinterização de areia às peças após a

sua limpeza, o que diminui consideravelmente a probabilidade de ocorrência de

defeitos gasosos;

existe uma drástica diminuição do teor de enxofre contido na areia a verde, já

que esta característica, no PCA, geralmente é inferior a 1,0 %, ou seja, é como

se a fundição passasse a empregar pó de carvão Cardiff com cerca de 0,3 %

desse componente deletério.

Torna-se necessário informar, todavia, que desde que foram iniciados os estudos

com o PCA nas fundições verificou-se que o seu uso poderá vir a diminuir em demasia

a umidade real da areia a verde, mesmo que se aumente a sua compactabilidade; se, por

um lado, isso é altamente benéfico quanto ao combate a defeitos gasosos, por outro lado

se poderá ter um ressecamento excessivo da areia preparada e dos moldes, os quais

então apresentarão um aumento da tendência a sofrerem erosão durante o vazamento do

metal, o que, por sua vez, poderá piorar a incidência de inclusões de areia nas peças.

Diante desse único efeito colateral detectado pelo uso do PCA, chega-se à

conclusão de que efetivamente, na maioria dos casos, existe a necessidade de a fundição

partir para o emprego de dextrina de milho na composição de sua areia a verde,

preferencialmente já incorporada à bentonita nacional durante (e não após) o seu

processo de ativação.

6. Bentonitas

Convém salientar que estudos do teste de dispersabilidade efetuados pelo

laboratório da Foundry (empresa do autor do presente trabalho) já demonstraram que se

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obtém, na bentonita sódica ativada com barrilha e simultaneamente aditivada com

dextrina de milho, valores de RTU (resistência à tração a úmido) superiores aos

alcançados em bentonita sódica natural argentina tida como sendo de excelente

qualidade e, portanto, muito maiores que os resultados gerados pelas melhores

bentonitas sódicas ativadas brasileiras, fazendo com que seja viável produzir peças tais

como a 5a roda em areia a verde, sem haver a ocorrência de escamas de expansão nas

mesmas (pelo menos não em níveis críticos).

Considerando, todavia, que uma bentonita sódica natural argentina de excelente

qualidade terá, em princípio, estabilidade térmica superior à da bentonita brasileira

aditivada com dextrina de milho, pelo menos em linhas de moldagem automatizadas em

princípio convém utilizar ambos os produtos, com a proporção existente entre as duas

bentonitas podendo variar de acordo com a avaliação de “custos x benefícios” de cada

fundição.

No entanto, para que o PCA possa ter pleno sucesso ao ser utilizado na areia a

verde de qualquer fundição, é de suma importância que as bentonitas empregadas na

mesma possuam pelo menos as seguintes características fundamentais:

inchamento

- brasileira: mín. 38 ml / 2 g para o produto simplesmente ativado com barrilha ou mín.

40 ml / 2 g se vier a sofrer adição de dextrina de milho;

- argentina: mín. 35 ml / 2 g;

adsorção de azul de metileno original

- brasileira: mín. 52 ml / 0,5 g para o produto simplesmente ativado com barrilha ou

mín. 50 ml / 0,5 g se vier a sofrer adição de dextrina de milho;

- argentina: mín. 54 ml / 0,5 g.

7. Dados fundamentais para o emprego de PCA

A fim de se poder avaliar o tipo exato de PCA a ser fornecido a uma dada

fundição e para se poder formular a melhor composição a ser adotada para a sua areia a

verde contendo este aditivo carbonáceo, inicialmente será necessário que cada cliente

forneça à Foundry e à CDS as seguintes informações básicas:

ramo de atividade (automobilístico, agrícola, construção civil, etc.);

produção em areia a verde (t/mês de metal vazado e tipos de ligas metálicas,

com a sua devida participação percentual sobre o peso total produzido);

tipo(s) de máquina(s) de moldar;

tipo(s) de misturador(es), com a sua respectiva capacidade nominal;

equipamentos/acessórios adicionais porventura existentes (resfriador, sistema de

exaustão, peneirador, silos de areia de retorno, etc.);

peso de areia de retorno existente em circulação (caso não se saiba o seu peso,

bastará que se multiplique o seu volume por 1,15 t/m3);

reciclagem da areia de retorno (isto é, a quantidade de ciclos/dia da mesma);

relação areia/metal média;

refugo (de fundição e de usinagem) no mínimo dos últimos 3 meses;

defeitos existentes ao menos nos últimos 3 meses (na fundição e na usinagem,

com a sua respectiva participação percentual sobre o refugo de cada um destes

setores);

percentual de moldes quebrados na extração dos modelos, no mínimo durante os

últimos 3 meses;

tempo de jateamento;

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composição da areia a verde e ciclo de mistura empregado (se forem utilizadas

formulações distintas na areia de sistema e/ou se também houver o uso de areia

de faceamento, não apenas deverão ser justificados os motivos para isso, como

também cada uma deverá ter a sua composição devidamente esclarecida, além

de ser necessário indicar o seu respectivo percentual de participação sobre o

peso total da areia preparada pela fundição);

controle do processo de areia a verde (além de ser citado o local de coleta da

amostra e o modo de seu armazenamento, deverão ser esclarecidos os ensaios

que a fundição tem condições de realizar rotineiramente, a sua freqüência de

controle e os resultados médios obtidos para cada característica com a sua

respectiva variação normal e máxima; independente de a fundição possuir ou

não o seu próprio laboratório, deverá ser informado se a compactabilidade é

determinada diretamente pelo setor de preparação da areia a verde e a sua

respectiva freqüência de ensaios ou se a empresa não possui condições de avaliar

nem mesmo essa característica);

controle do recebimento de matérias-primas (deverão ser esclarecidos os tipos de

testes de recebimento efetivamente realizados em cada matéria-prima utilizada

na areia a verde e a especificação em vigor para cada uma);

consumo médio mensal de matérias-primas utilizadas na areia a verde no

mínimo durante os últimos 3 meses;

processos de macharia em uso, com a respectiva participação de cada um (se

houver mais de um, logicamente) e o percentual médio de resíduos de machos

naturalmente incorporados à areia de retorno;

custos de cada matéria-prima utilizada na areia a verde e da areia de retorno

depositada em aterro industrial (essa informação poderá ser prestada somente se

efetivamente houver um acerto para o uso do PCA pela fundição).

8. Aditivos prontos para areia a verde

O ideal mesmo seria que a fundição utilizasse uma mistura já pronta para areia a

verde, composta por bentonita sódica ativada com barrilha e simultaneamente aditivada

com dextrina de milho, bentonita sódica natural e PCA (com o tipo exato deste aditivo

carbonáceo podendo ser alterado periodicamente de acordo com as reais necessidades

de cada fundição).

Certo é que, se a fundição partir para o emprego de aditivos prontos para areia a

verde, estes somente poderão ser adquiridos de fornecedores que tiverem pleno

conhecimento do próprio assunto “areia a verde”, visto que, se no dia a dia existe a

necessidade de periodicamente se efetuar alterações na incorporação de apenas uma ou

outra das bentonitas ou então somente do aditivo carbonáceo em uso, como é que se

poderá admitir o emprego de um produto composto por todos esses insumos, o qual não

venha a sofrer qualquer modificação em sua formulação ao longo de vários meses

consecutivos?

Diante disso, para que os aditivos prontos para areia a verde tenham pleno

sucesso ao serem utilizados na mesma, o seu fornecedor obrigatoriamente deverá:

ter um especialista em areia a verde que lhe preste os devidos esclarecimentos

quanto às modificações a serem implantadas na formulação do aditivo pronto

destinado a cada fundição, a qual, por sua vez, deverá ser orientada por essa

mesma pessoa quanto à maneira correta de utilizar cada produto diferente;

possuir um laboratório completo destinado aos ensaios de areia a verde de cada

fundição, incluindo a aparelhagem para a determinação da RTU (resistência à

tração a úmido), da friabilidade e da evolução de gases, principalmente nos

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momentos que antecedem a produção de novos lotes do aditivo pronto, a fim de

verificar a eventual necessidade de se alterar a sua formulação;

transmitir à fundição os devidos resultados dos ensaios obtidos em sua areia a

verde, inclusive justificando os motivos que o levaram a eventualmente

modificar a formulação do aditivo pronto.

Considerações finais

Não restam dúvidas de que cada fundição deverá reduzir em muito o descarte de

areia de retorno, sem que isso venha a resultar numa piora do índice de refugo e de

outros problemas atribuíveis à areia a verde.

Atualmente já se sabe que essa meta está sendo viável de ser alcançada mediante

a substituição do pó de carvão Cardiff tradicional pelo PCA (pó de carvão aditivado),

neste caso a ser utilizado, na areia a verde, geralmente em conjunto com bentonita

sódica ativada com barrilha e simultaneamente aditivada com dextrina de milho e certa

proporção de bentonita sódica natural.

Também se sabe que já passou da hora de todas as fundições partirem para o

emprego de aditivos prontos para areia a verde, porém estes, a exemplo do PCA,

igualmente deverão ser desenvolvidos de acordo com a particularidade de cada fundição

e eventualmente necessitarão ter a sua formulação modificada periodicamente em

função de eventuais problemas detectados pelo seu usuário num dado momento.

Bibliografia

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4. KOLORS, A. & ORTHS, K. Zur Optimierung der Wirkungen von

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nov. 1964.

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Bestimmung der aus Formstoffzusätzen. Giesserei, 51: 729 – 730, nov. 1964.

6. NOVELLI, G. & RINALDI, A. Avances Tecnologicos en los Sistemas de

Acondicionamiento de Arena en Verde. Congresso de Fundição, ILAFA, 1976.

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Abifa e Global Market: 478 páginas, 2005.