ESTUDO SOBRE A PREPARAÇÃO E CUIDADOS COM TIJOLOS RESFRIADORES EXTERNOS PARA USO EM MOLDAGEM MANUAL PESADA

Daniel Ribeiro da Silva1

Resumo: este artigo visa esclarecer e definir as melhores práticas referentes ao processo de preparação de tijolos resfriadores aplicados no processo de moldagem manual pesada. A análise e determinação dos melhores parâmetros do processo de preparação de tijolos, foi feita por meio da aplicação de um experimento na prática realizado pela fusão de um bloco teste. Neste bloco teste se aplicou diversas combinações diferentes de preparação de tijolos resfriadores mais conhecidos no meio dos fundidores, na análise do bloco-teste após desmoldagem e jateamento, concentrou-se atenção para o acabamento superficial das áreas brutas de fusão onde se aplicou tijolos resfriadores. Palavras-chave: Resfriadores. Moldagem. Preparação 1 INTRODUÇÃO A utilização de resfriadores no processo de fundição, tem como objetivo facilitar a obtenção de zonas de ação maiores em uma peça fundida, conforme ASM Metals Handbook (1998), se um resfridor é colocado entre massalotes em uma seção de parede que não há frente de resfriamento natural, o resfriador pode ser utilizado para criar um efeito artificial de final de solidificação e dessa maneira reduzir o número de massalotes necessários para alimentar uma peça. Também é um artificio que pode ser usado para corrigir rechupes depois de serem explorados outros caminhos naturais como principalmente análise química, temperatura de vazamento e até certas modificações na geometria da peça para se atingir o resfriamento direcional ou posicionamento da peça no molde. Com a utilização de resfriadores em uma peça, pode gerar problemas na produtividade da linha de moldagem que é sempre um dos recursos escassos, porém e uma técnica usada quando já esgotadas as possibilidades citadas acima. De acordo com Roedter (2006), um dos efeitos do uso dos tijolos resfriadores é o aumento na contagem de nódulos, redução do tamanho do grão e maior tendência a promoção de ferrita. Ao se produzir ferro fundido perlítico/ferrítico ou totalmente perlítico, deve-se considerar o uso de elementos de liga que compensem esta tendência. É importante saber que ao se colocar um resfriador contra a parede de uma peça, a fim de aumentar o comprimento da zona de ação ou de reduzir o módulo de resfriamento, resulta ao mesmo tempo em uma modificação localizada na estrutura do metal nem sempre desejável, podendo ocorrer problemas na usinagem, causado pelo efeito de uma tempera do resfriador. Segundo André Pozenato (2009), a respeito de resfriadores podemos listar quatro funções principais:

1. Reduzir o módulo de resfriamento das partes maciças das peças, para facilitar a obtenção da solidificação dirigida;

1 Pós-graduando em Engenharia Metalúrgica pelo Instituto Superior Tupy – SOCIESC. E-mail:silva.daniel.r@gmail.com

2. Aumentar o comprimento da zona de ação dos massalotes, reduzindo assim o número dos mesmos, necessários em um fundido;

3. Modificar localmente a estrutura do metal de uma peça; 4. Aumentar a velocidade de resfriamento de peça de grande porte.

Também podemos distinguir dois tipos de resfriadores. Resfriadores Externos: que se utilizam para cumprir cada uma das quatro funções, isolada ou conjuntamente. Resfriadores Internos: que se utilizam apenas para reduzir o módulo de resfriamento, quando não se pode substituí-los por resfriadores externos. 1.1 Dimensionamento de tijolos resfriadores De acordo com André Pozenato (2009, para dimensionar o resfriador podem ser usados dois critérios, ambos baseados na idéia de que ao reduzir o tempo de solidificação da peça ou região, o resfriador estaria provocando a redução do módulo aparente da mesma, de Mo para Mr, onde Mo é o módulo calculado a partir da geometria da peça e Mr é o módulo reduzido aparente. Também devemos analisar que a capacidade de resfriamento do resfriador depende do tipo do material com que é feito, do tamanho, forma, calor específico, peso e condutibilidade térmica do material como veremos a seguir. Os resfriadores externos possuem a mesma forma que a parte das paredes que substituem no molde. Algumas vezes coloca-se o resfriador no momento da socagem do molde, outras vezes os modelos possuem marcações que facilitam a colocação dos resfriadores da mesma maneira que os machos. Os dois métodos tem vantagens e desvantagens respectivas, na produção em série é mais econômico colocar o resfriador diretamente no molde durante a socagem á máquina, porém há riscos de se depositar umidade sobre o resfriador quando o molde permanece por muito tempo parado antes de ser vazado. Na moldagem manual é mais recomendado colocar o resfriador na sua marcação quando está se fechando o molde, para facilitar a saída dos gases na interface entre o metal e o resfriador, recomenda-se também que a face em contato com o metal seja rugosa. Quando a superfície a ser resfriada é grande, é preferível utilizar vários resfriadores pequenos para facilitar a saída dos gases e evitar os efeitos da dilatação que poderiam estragar o molde ou provocar deformações na peça. Recomenda-se:

• área da face de contato < 150 cm²; • comprimento < 200 mm.

Para repartir vários resfriadores sobre uma grande superfície é preferível utilizar a disposição da Figura 2 em vez da Figura 1 para evitar acúmulo de efeitos de arestas num mesmo ponto da peça.

Figura 1- Efeito de arestas acumuladas

Fonte: Autor (2016)

Figura 2- Sem efeito de arestas

Fonte: Autor (2016)

O comprimento do resfriador não deve ultrapassar 3 a 4 vezes a espessura da parede a ser resfriada, e entre vários pequenos resfriadores devemos ter de preferencia excepcionalmente uma distancia entre 10mm no mínimo entre os resfriadores. Num macho, um resfriador isolado não vai modificar as condições de contração da peça, porém quando se trata de uma série de resfriadores é preferível colocá-los no exterior da peça ou na parte inferior. Podem também ser utilizadas algumas medidas para evitar ou minimizar a ocorrência de trincas como: Na extremidade do resfriador, utiliza-se um material que tem efeito de resfriamento menor que o resfriador, e maior que a areia para minimizar o resfriamento brusco.Afinar as pontas do resfriador, como por exemplo, colocando raios. Para resfriadores maiores, fazem divisões em partes. Utiliza-se um resfriador indireto, ou seja, colocando uma fina camada de areia entre o resfriador e a peça e recomenda-se uma distancia de no mínimo 10mm de resfriador para resfriador. Resfriador de tamanho insuficiente não vai corrigir o defeito pelo qual foi colocado. Pelo contrário, resfriadores superdimensionados podem causar a formação de superfícies muito duras e inusináveis quando se trata de peças de ferro fundido. Portanto, a determinação das dimensões dos resfriadores tem grande importância. 1.2 Materiais usados e fabricação de tijolos resfriadores Geralmente os resfriadores externos são metálicos e utilizam os seguintes materiais: aço, ferro fundido,cobre ou alumínio. O cobre e o alumínio tem coeficiente de condutibilidade térmica bem superior ao do aço ou ferro fundido porém os resfriadores são muito mais caros.

Sabe-se que a utilização de resfriadores metálicos nem sempre é fácil e necessita cuidados especiais quando não se deseja encontrar defeitos tais como:

• Tempera superficial com grande dureza e dificuldades de usinagem; • Estrutura irregular e tensões superficiais; • Defeitos de superfície, pequenas bolhas de gases; • Soldagem com a peça; • Dilatação dos resfriadores com quebra de pedaços de areia; • Auto recozido superficial do fundido.

Portanto antes de decidir sobre a utilização de um resfriador metálico, deve-se procurar um meio termo entre a necessidade de resfriar e a possibilidade de provocar alguns defeitos. Em certos casos a utilização de materiais não metálicos como o carboneto de silício, a zirconita, a magnesita, a cromita, podem facilitar soluções interessantes. Em um trabalho recente Geicimar (2012) obteve as seguintes conclusões referentes ao material dos resfriadores.

• Os resfriadores com matriz ferrítica possuem uma maior tendência a formação de gases, material com maior tendência a oxidação, a absorção de água ocorre na interface da grafita;

• Os resfriadores ferríticos possuem uma capacidade de extração de calor maior que os resfriadores perlíticos;

• Os resfriadores cinzentos ferríticos possuem uma capacidade de extração de calor maior que os resfriadores nodulares ferríticos, isto é devido a forma da grafita lamelar.

No quadro a seguir apresenta-se coeficiente de difusividade para vários tipos de material que podem ser utilizados para resfriamento.

Tabela 1 - Coeficiente de difusividade de vários materiais de moldação.

Material i [AFS] d [mm2/s] e [mm] Areia sílica-argilosa sintética a verde 70 1,00 -

Areia sílica + 3% silicato de sódio 70 1,03 - Areia sílica + 8% cimento 70 1,04 -

Areia de cromita + 3% silicato de sódio 95 1,07 -

Carboneto de silício - 1,75 -

Alumínio - 2,49 1.33 x módulo da peça Ferro fundido - 2,65 1.33 x módulo da peça

Aço - 3,83 1.33 x módulo da peça

Bronze - 3,79 1.33 x módulo da peça Fonte: Pozenato (2009)

i = Índice de finura AFS. e = Espessura do resfriador. d = coeficiente de difusividade térmica.

A colocação pode ser operada de duas maneiras, em uma marcação especial durante o fechamento do molde ou diretamente no molde durante o enchimento. Deve-se evitar que a face do resfriador, em contato com o metal líqüido, esteja oxidada ou úmida, por isso deve-se tomar cuidados importantes na utilização dos resfriadores como:

1. Caso o resfriador seja usado por mais de uma vez, é necessário que se retire toda a carepa do mesmo, através do jato de granalha;

2. A posição do resfriador deve ser adequada para não prejudicar a entrada ou a alimentação do metal;

3. Limpar perfeitamente os resfriadores antes de uma nova utilização. O melhor meio é a granalhagem ou jateamento;

4. Realizar pintura da face de contato com o metal líqüido com tinta especial diminui a probabilidade de formação de defeitos, facilitando a saída dos gases primeiro através da camada permeável do revestimento, e em seguida pelas ranhuras do resfriador.

Para maior entendimento, verifica-se nas Figuras 3 e 4, imagens que mostram os tijolos resfriadores preparados antes da moldagem e os tijolos já devidamente afixados no molde de areia.

Figura 3- Tijolos resfriadores

Fonte: Autor (2016)

Figura 4- Tijolos resfriadores afixados no molde de areia de grande porte

Fonte: Autor (2016)

1.5 Defeitos gerados por tijolos resfriadores A utilização de tijolos resfriadores é uma solução para resolver diversos problemas conforme citado neste artigo, no entanto, esta solução pode se tornar uma dor de cabeça para os fundidores, pois existem inumeros defeitos possíveis de serem causados pelo resfriador metálico, listaremos abaixo alguns deles:

• Dilatação do resfriado A dilatação do resfriador, quando do enchimento do molde, pode quebrar pedaços de areia ou pelo menos produzir trincas na areia que se reproduzem em forma de rebarbas nas paredes da peça. Este defeito ocorre quando o comprimento do resfriador é muito grande. Recomenda-se 200mm como comprimento máximo.

• Formação de bolhas superficiais. Ferrugem, graxa e umidade são os piores inimigos dos resfriadores. Sob o efeito do metal quente: a umidade transforma-se em vapor de água; a graxa queima, gerando gases que ficam aprisionados na superfície do fundido; já a ferrugem pode reagir com o carbono do metal líqüido (aço ou ferro fundido) da seguinte maneira:

FeO+ C� Fe + CO FeзO2 + 3C� 2Fe + 3CO

Na Fgura 5 é possível observarmos uma peça que apresenta defeito na região onde foi colocado o tijolo resfriador.

Figura 5- Bolhas ou fervuras de tijolo resfriador

Fonte: Autor (2016)

• Formando o óxido de carbono.

O ar contido nos poros de um resfriador já bastante usado/antigo aumenta de volume. O vapor de água, os gases da graxa, o óxido de carbono, o ar contido nas porosidades procuram sair através do metal líqüido mas ficam presos no momento da solidificação rápida devido ao resfriador.

2 MATERIAIS E MÉTODOS O presente trabalho propõe o estudo do efeito da preparação do tijolo resfriador versus acabamento superficial do fundido. Para tanto, a proposta é a fundição experimental de 2 (dois) blocos testes onde aplicaremos tijolos resfriadores preparados de diferentes maneiras. Para melhor entendimento observa-se o fluxograma da Figura 6 que resume em 7 (sete) etapas a proposta prática deste trabalho analítico:

Figura 6- Fluxograma do trabalho prático

Fonte: Autor (2016)

As variáveis que serão exploradas no experimento se referem à etapa de preparação do tijolo resfriador, que conforme já fora citado no item 1.2 deste trabalho, são preponderantes para obtenção de bons resultados no dia a dia das fundições. 2.1 MATERIAIS No que tange ao processo de preparação de tijolos resfriadores, listou-se abaixo as mais conhecidas possibilidades disponíveis no mercado de fundição e que foram exploradas neste trabalho. São elas:

• Jateamento; • Aplicação de tinta especial para resfriadores à base de Alumina; • Estufagem (resistência térmica); • Aplicação de maçarico (gás GLP); • Aplicação de desmoldante convenciona à base de alcool; • Aplicação de tinta de moldagem à base de zirconita.

A prática de jateamento foi considerada uma variável fixa neste trabalho, por se considerar um processo primário e básico para a mínima preparação de um tijolo resfriador. O material do tijolo resfriador foi o ferro fundido cinzento, foi considerado também como uma variável fixa deste experimento. O material do bloco teste foi o ferro fundido nodular, variável fixa. A técnica de estufagem ou aplicação de maçarico, que objetiva a secagem da tinta e/ou eliminação da umidade impregnada na superfície do tijolo, afim de minimizar a ocorrência de fervuras ou bolhas de gases, foram variáveis exploradas arbitrariamente neste trabalho. A aplicação de tinta especial para resfriadores, desmoldante ou tinta de moldagem, visa a proteção superficial do resfriador, a minimização da ocorrência de caldeamento e de defeitos superficiais. Estas três variáveis também foram exploradas arbitrariamente neste trabalho prático.

2.2 MÉTODO A concepção do experimento surgiu da reunião de uma equipe multifuncional de uma Fundição, onde os integrantes levantaram os recursos necessários para a moldagem e fusão de um bloco teste que fosse representativo e fosse capaz de simular as diversas alternativas da temática deste trabalho. A Figura 7 representa o projeto do bloco teste fundido, também indica o modo como foram distribuídas as diferentes propostas de preparação de resfriadores.

Figura 7- Projeto do bloco teste e ilustração do experimento

Fonte: Autor (2016) Das diversas possibilidades de análises críticas a serem realizadas, o método de inspeção visual foi o principal método aplicado para avaliação técnica das superficies fundidas de contato com os tijolos resfriadores. O critério Scrata (2006) regido pela ASTM será o padrão comparativo de superfícies fundidas que guiará as análises e conclusões deste trabalho. No critério Scrata são contempladas as seguintes características superficiais de peças fundidas:

• Acabamento bruto (A); • Inclusões (B); • Porosidades de gases (C); • Junta fria (D);

• Sinterização (E); • Chapelin (F); • Superfície com corte maçarico (G); • Superfície lixada/rebarbada (H); • Solda (J).

A Figura 8 mostra placas comparativas/táteis Scrata que foram utilizadas neste trabalho de análise crítica superficial.

Figura 8- Padrão Scrata

Fonte: website castingstechnology.com

2.2.1 Determinação do melhor método de preparo de resfriadores A partir do critério Scrata mencionado no item anterior deste trabalho, a etapa de inspeção visual contemplou um checklist mostrado na Tabela 2.

Tabela 2- Checklist

RESFRIADOR BRUTO INCLUSÕES DESCASCAMENTO POROSIDADE JUNTA FRIA

A

B

C

D

E

F

G

H

CHECKLIST DE INSPEÇÃO VISUAL

Fonte: Autor (2016)

O preenchimento deste checklist somado à imagens fotográficas foram as principais ferramentas utilizadas no processo decisório sobre qual o melhor método de preparação de resfriadores

3 RESULTADOS E DISCUSSÃO Após a desmoldagem, corte de canais e jateamento do bloco teste, foi possível identificar e localizar as marcas de tijolos resfriadores e as respectivas identificações do tipo de processo.

A Figura 9 mostra os dois blocos prontos para realização da inspeção visual.

Figura 9- Dois blocos teste prontos para inspeção.

Fonte: Autor (2016)

Observou-se que a identificações em alto-relevo com as letras código de A até H foram reproduzidas legivelmente na superfície dos blocos, o que foi fundamental para rastreabilidade do teste. A Figura 10 evidencia este fato.

Figura 10- Letras-código em alto relevo

Fonte: Autor (2016)

A partir da identificação das letras código, foram enumerados os tijolos resfriadores de 1 até 12 e registrado com marcador industrial ao lado de cada marca de tijolo. A Figura 11 mostra a numeração marcada no bloco teste.

Figura 10- Marcas de tijolo identificadas/enumeradas.

Fonte: Autor (2016)

As seguintes cinco categorias do Scrata não foram consideradas na análise visual pois não se aplicam ao material que foi analisado:

• Sinterização (E); • Chapelin (F); • Superfície com corte maçarico (G); • Superfície lixada/rebarbada (H); • Solda (J).

Para apontamento de dados no checklist de inspeção, utilizou-se quatro categorias de acabamento superficial Scrata e outro mode de defeito adicional denominado Descascamento. Em ordem crescente de criticidade a lista abaixo estão os cinco tipos de defeitos que foram encontrados na superfície da marca dos tijolos resfriadores

• Acabamento bruto (A); • Inclusões (B); • Descascamento • Porosidades de gases (C); • Junta fria (D);

Na tabela 3 foram exemplificados os 5 tipos de superfície encontrados.

-

+

Tabela 3- Exemplos de marcas de resfriadoress

Categoria Imagem

Acabamento bruto (A)

Inclusões (B)

Descascamento

Porosidades de gases (C)

Junta fria (D)

Fonte: Autor (2016)

Foram definidas notas de 1 até 5, sendo 1 menos crítico e 5 mais crítico e após a inspeção visual criteriosa dos dois blocos teste, o checklist proposto neste artigo foi devidamente preenchido e apresentado conforme Tabela 4.

Tabela 4- Checklist preenchido

1 2 3 4 5

RESFRIADOR BRUTO INCLUSÕES DESCASCAMENTO POROSIDADE JUNTA FRIA

A 5, 7, 8, 9 e 10 3, 4, 6 1 nenhum 1, 2, 11 e 12

B 7, 8 e 9 3, 4, 5, 6, 10, 11 e 12 1, 2 e 3 nenhum 1

C 8 3, 4, 5, 6, 7, 9, 11 e 12 1 e 10 2 1

D 4, 7, 8 3, 5, 6, 9, 10, 11, 12 1,2, 5 e 6 nenhum 1

E 4,7,8,11 e 12 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11 e 12 1 e 2 12 11 e 12

F 1 2, 3, 5, 7, 8, 9, 10, 11 e 12 2 4 4, 5, 6, 7, 8 e 9

G 2 1, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 11 e 12 1, 2, 6, 11 e 12 10 11 e 12

H 1, 2 e 10 3, 4, 6, 7, 8, 11 e 12 12 5 9 Fonte: Autor (2016)

Para facilitar as conclusões sobre o trabalho realizado, observou-se a quantidade de ocorrências de cada tipo de superfície e multiplicou-se pelas notas de 1 até 5 de cada categoria superficial. Assim cada processo de preparação de resfriador recebeu uma nota final, através da soma das parcias e as mesmas foram descritas na Tabela 5 e no Gráfico 1.

Tabela 5- Checklist preenchido

RESFRIADOR BRUTO INCLUSÕES DESCASCAMENTO POROSIDADE JUNTA FRIA Soma

A 5 6 3 0 20 34

B 3 14 9 0 5 31

C 1 16 6 4 5 32

D 3 14 12 0 5 34

E 5 22 6 4 10 47

F 1 18 3 4 30 56

G 1 18 15 4 10 48

H 3 14 3 4 5 29

Notas atribuídas por cada defeito

Fonte: Autor (2016)

Gráfico 1 - Classificação

2931 32

34 34

47 48

56

0

10

20

30

40

50

60

H B C A D E G F

No

ta f

ina

l

Tipo de preparação

Classificação dos processos preparação tijolos

Fonte: Autor (2016)

A partir dos resultados apresentados anteriormente neste artigo, foi possível obter as seguintes conclusões:

• Com base nas notas finais, o método H (Jateamento + aplicação de tinta de zirconita) apresentou o melhor desempenho como método de preparação de tijolos. Apresentou apenas 3 ocorrências de defeitos mais críticos que foram uma Junta Fria, um descascamento e uma porosidade;

• O método de menor desempenho foi o método F (Jateamento + Maçarico + Tinta base Alumina + Maçarico). Este método apresentou 50% de incidência de Junta Fria entre os 12 resfriadores de sua categoria;

• Para os cinco primeiros melhores métodos que foram H, B, C A e D respectivamente. Apresentaram nota média de 32 pontos. Observou-se em comum entre eles a não utilização de maçarico como método de remoção de umidade ou secagem. Sendo a estufagem portanto o processo mais recomendado para secagem e remoção de umidade;

• Também foi identificado que nos cinco melhores métodos de preparação em quatro deles ao menos uma camada de tinta foi aplicada. Isto reforçou a importância de aplicação de ao menos uma camada protetora no resfriador, para minimização da ocorrência de caldeamento e de defeitos superficiais por conta da oxidação (ferrugem), enfatizado no item 1.5 deste trabalho;

• Os três métodos que apresentaram menor desempenho foram E, G e F respectivamente. Dois deles, os métodos E e F possuem em comum a utilização do maçarico. Isto indica que conforme ROCHA (2016) a água gerada na reação de queima do Gás GLP pode ter sido o fator que influenciou negativamente na eficiência da desumidificação;

Dentre as conclusões obtidas, também foi possível identificar sugestões de próximos passos, trabalhos;

• O método A (Jato + sem pintura) pode ser considerado o mais simples de todos. Apresentou boa nota final, o que pode ser bom indicativo. Mas deve ser estudado mais a fundo, pois foi o segundo método que apresentou maior incidência de Junta Fria, que é o defeito mais grave considerado neste trabalho;

• Uma possvel desdobramento deste trabalho pode ser a realização do ensaio de Partículas Magnéticas sobre as superfícies com o objetivo de aprimorar a qualidade da análise crítica visual dos resultados e fazer a atribuição de novas notas para cada método de preparação.

REFERÊNCIAS STEFANESCU, D.M et all. ASM Handbook: volume 15 Castings. ASM International,1988. ROEDTER, H. Give more considerations to using chills in the overall ductile iron risering system: Sorelmetal, Suggestions for Ductile Iron Production, 2006. POZENATO, A.S. Resfriadores: Indústrias Romi S.A, 2009 GEICIMAR, I. Influência dos tipos de materiais para resfriadores. Encontro Sulamericano de usuários de Magma, 2012. ASTM. Standard Practice for Steel Castings, Surface Acceptance Standards, Visual Examination ASTM A802/A802M, 2006. ROCHA, J. Reações orgânicas. Disponível em http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/quimica/combustao-completa-incompleta.htm. Visitado em 22/11/2016 22:09h.