Avaliação das características de ligação do cimento de fosfato de magnésio em moldes de areia para fundição

Abstract

Todos os anos são produzidas, a nível mundial, milhões de toneladas de peças metálicas pelo processo de fundição, na sua grande maioria obtidas com recurso a moldes de areia. O sector vive actualmente uma situação ambiental problemática devido à utilização de areias verdes e, sobretudo, areias ligadas quimicamente por resinas, por causa das emissões gasosas (risco potencial para operadores, na vizinhança do vazamento ou de preparação das moldações ou machos) e a grande quantidade de areia descartada. A alteração do tipo de ligante das areias pode contribuir significativamente para a solução dos dois problemas ambientais, se eliminar as emissões gasosas típicas dos ligantes orgânicos, e se reduzir o volume de areias rejeitadas. Neste trabalho, com o objectivo de avaliar a possível utilização do cimento de fosfato de magnésio (CFM) como ligante alternativo de areia de fundição, estudou-se a influência das proporções dos reagentes na formação do CFM e no desempenho das areias ligadas com CFM. Como matérias-primas utilizouse monofosfato de amónio (grau agrícola) e magnésia da água do mar com uma área superficial específica suficientemente baixa (1,0725 m2/g) para evitar a utilização de retardantes (ácido bórico) sem prejudicar as propriedades finais do CFM. Usou-se uma areia quartzoza, tal como fornecida às fundições. O estudo do tempo de presa (trabalhabilidade) do cimento, cinética de reacção (desenvolvimento e degradação térmica das fases cristalinas), resistência mecânica após presa e o aspecto das amostras obtidas permitiu concluir que diferentes proporções molares MgO/NH4H2PO4 e teores de água adicionada conduzem a diferentes mecanismos de formação do CFM e que a melhor proporção molar era de 4:1 com uma percentagem de água de 37%. O estudo dos compactados de areias ligadas com CFM mostrou que a resistência ao esmagamento aumenta com o aumento da quantidade de cimento e do grau de compactação, enquanto a permeabilidade aos gases diminui. Para quantidades de areia de 85 e 90% os valores de permeabilidade são semelhantes aos observados em compactados industriais de areia verde. A distribuição granulométrica da areia sujeita a vários ciclos de aglomeração/calcinação/desaglomeração tem tendência a passar de unimodal para bimodal, com acumulação de finos. Apesar disso, não se verificam grandes diferenças em termos de resistência mecânica e permeabilidade das amostras, comparativamente aos resultados obtidos antes do 1º ciclo de calcinação. Estes resultados permitem concluir que a aglomeração de areia com CFM facilita a regeneração das areias e permite a sua reciclagem sem perdas significativas de propriedades. Assim, em termos de uma futura aplicação à escala industrial, o CFM pode ser uma alternativa promissora à aglomeração de areias com resinas fenólicas, sendo ambientalmente muito mais correcta.

ABSTRACT: Every year, all over the world, millions of tons of metallic parts are produced by casting, mostly using sand moulds. Nowadays, the foundry sector lives a difficult environmental situation due to the use of green sand and, in particular, chemically resin bonded sand, given the evolved gases (potential hazard for the workers in the casting and the mould and core preparation areas) and the large amount of discarded sand. Changes in the sand binder type can significantly contribute to the solution of those two environmental problems, by eliminating the gaseous emissions typical of organic binders and reducing the volume of discarded sand. This work, aimed at evaluating the prospective use of magnesium phosphate cement (MPC) as an alternative binder for foundry sand, studies the effect of the reactants proportions in the formation of the MPC and in the performance of the MPC bonded sand. The raw materials used were mono-ammonium phosphate (agriculture grade) and sea-water magnesia with a sufficiently low specific surface area (1,0725 m2/g) to avoid the use of retardants (boric acid) without hindering the MPC final properties. Quartz sand was used as-supplied to foundries. The study of the cement setting time (workability), reaction kinetics (crystalline phase formation and thermal degradation), mechanical strength after setting and the general aspect of the samples produced, led to the conclusion that different MgO/NH4H2PO4 molar proportions and added water contents result in different MPC formation mechanisms, the best molar proportion being 4:1 with 37% water. The study of MPC bonded sand compacts showed that the crushing strength increases with the increase in cement content and compaction degree, whereas the permeability decreases. When 85 and 90% wt.% sand are used, the permeability values are very similar to those observed in industrially compacted green sand. The sand particle size distribution after various cycles of compaction/ calcination/de-agglomeration, tends to change from mono to bimodal, with increasing fines content. Nevertheless, no significant changes were observed in the samples mechanical strength and permeability, relative to the results obtained before the first thermal cycle. These results lead to the conclusion that the use of MPC as sand binder simplifies the sand regeneration and enables its reuse without significant changes in properties. Thus, having in mind future industrial applications, magnesium phosphate cement can be a valuable alternative to sand bonding with phenolic resins, being environmentally much sounder.