A qualidade de um produto é o resultado da combinação entre vários fatores. Se essa combinação não estiver aperfeiçoada, a propriedade será impactada negativamente e a empresa fatalmente irá perder em função da existência de retrabalhos e reparos^[1].

As melhores decisões operacionais resultam de uma ideia estratégica que consiste na condução de vários experimentos, os quais combinam diferentes fatores relevantes, para determinar qual seria a melhor combinação^[1]. Esse processo é conhecido estatisticamente como Planejamento de Experimentos (Design of Experiment). Devido à existência de inúmeros fatores que afetam o nível de qualidade de um produto ou serviço, é necessário conhecer como esses fatores e suas interações atingem a variável resposta.

De acordo com Robles Júnior ^[11], a nova filosofia de competição global tem exigido das empresas um comprometimento com a melhoria contínua e completa dos produtos, processos e qualificação da mão de obra. A utilização de uma metodologia é essencial para conduzir toda a empresa em uma direção correta, a fim de atingir os objetivos propostos.

Silva e Silva^[12] compartilham do mesmo pensamento acerca das diretrizes de gerenciamento, desenvolvimento de tecnologia e competição moderna, o que requer muitas mudanças na maneira como o negócio é mensurado e administrado. Nesse contexto, o investimento feito em treinamento e melhoria de processos torna-se fundamental e necessário para o sucesso de uma empresa.

Conforme Laszlo^[9] , muitas vezes a alta administração da empresa considera que as melhorias de qualidade relacionadas a produtos e serviços causam aumento nos custos de operação. Esse pensamento está totalmente equivocado, pois baseia-se no fato de que benefícios estão diretamente associados a altos investimentos.

Pode-se facilmente demonstrar que nem todas as melhorias de qualidade envolvem investimentos e que uma maior eficiência de processo pode ser obtida por meio da simplificação de rotinas e tarefas, que certamente reduzem custos, ao contrário do que se comenta. Em alguns casos, obviamente onde os investimentos são necessários, percebe-se que, associados à melhoria do processo, eles podem trazer benefícios econômicos significativos. Estes, derivados das mudanças obtidas muitas vezes são consideravelmente superiores ao valor desembolsado no empreendimento.

O contexto no qual o custo da qualidade está inserido baseia-se em um balanço existente entre os

Fig. 1 – Efeito principal e da interação entre variáveis para resistência à tração a seco

custos para garantir a qualidade do produto ou serviço e aqueles associados a problemas atribuídos à falta de qualidade. O objetivo principal de um processo de melhoria é a redução da ineficiência e dos desperdícios. O retorno sobre o investimento pode ser trazido em margem de contribuição^[9].

Em função dos problemas ambientais associados à geração de resíduos, essa questão ganhou certa relevância, já que passou a ser tratada como estratégia empresarial. Empresas têm mudado sua filosofia de satisfação sobre as necessidades do consumidor, visando a uma melhor qualidade de vida para a sociedade, por meio da busca de soluções aos problemas ambientais, seja no uso adequado dos recursos naturais ou na redução do impacto de suas atividades no meio ambiente.

Independentemente do rumo escolhido para sanar deficiências ou problemas ambientais, essas empresas têm procurado alcançar o desenvolvimento sustentável e, ao mesmo tempo, o aumento da lucratividade de seus negócios.

Segundo Okida^[10], o que se coloca às indústrias é a busca por novas tecnologias, a racionalização na utilização de recursos, eliminando ou reduzindo perdas, o aperfeiçoamento do sistema produtivo (ecoeficiência) e a sua integração interna e externa, para efetivar as transformações necessárias ao atual ambiente de negócios.

A reutilização surge como recurso fundamental para implementar a sustentabilidade. Uma das alternativas para o descarte de resíduos sólidos é o uso de aterros industriais. No entanto, esta é uma opção que afeta a sustentabilidade do sistema.

O problema se agrava quando o resíduo é inadequadamente descartado, principalmente nos grandes centros urbanos, consistindo em uma tarefa potencialmente poluidora do solo e, principalmente, das águas superficiais e do subsolo. Porém, as restrições e as ameaças ambientais podem ser transformadas em oportunidades. Atividades como o reaproveitamento interno ou a venda de resíduos para outras empresas, o desenvolvimento de tecnologias mais limpas para o meio ambiente, com vantagens competitivas, a venda de patentes, o desenvolvimento de produtos e a geração de novos materiais estão dentro desse contexto.

Para Okida^[10], o reaproveitamento proporciona economia da matéria-prima, uma vez que seu processamento geralmente exige menos insumos do que para a obtenção de materiais originais. Adicionalmente,

Fig. 2 – Efeito principal e da interação entre variáveis para a resistência à compressão a seco (gráficos superiores) e a verde (gráficos inferiores)

Fig. 3 – Efeito principal e da interação entre variáveis para o percentual de compactação

ainda reduz a necessidade de espaços destinados a resíduos industriais, diminui custos de coleta e com aterros sanitários e conscientiza os empregados.

Proporciona também a redução de impactos ambientais, sanitários e sociais, gerados tanto pelo lançamento indiscriminado de resíduos sólidos no ambiente quanto pela implantação e operação de instalações destinadas ao seu tratamento e disposição final. Este trabalho foi desenvolvido com a finalidade de pesquisar a influência da incorporação de resíduos de tijolos e placas refratárias nas propriedades mecânicas e outras características da areia utilizada para fabricação de moldes de fundição.

Após um adequado entendimento de tais comportamentos, é possível definir uma proporção ideal de incorporação do referido resíduo, de forma que se consiga a redução dos custos totais de fabricação dos moldes de fundição e da quantidade de resíduos destinados aos aterros sanitários.

O processo de fundição

Descrição geral

Um processo de fundição consiste na fusão de um metal e na sua consecutiva transferência para o interior de um molde normalmente feito em areia. Dentro desse molde é colocado um modelo para reproduzir a geometria do metal a ser fundido.

Após a correta compactação da areia no interior do molde, o modelo é removido. Então, o metal é transferido para dentro desse molde e passa a assumir, portanto, o formato pré-esboçado pelo modelo.

Existem vários parâmetros que precisam ser controlados durante e após o processo de fundição para garantir um produto de qualidade, como a dureza do molde de areia, sua temperatura, a densidade e a espessura da tinta de revestimento.

Em seguida, o molde permanece em

resfriamento e, após a solidificação do metal e a total queda de temperatura, realiza-se a operação de retirada da peça.

Depois da operação de desmolde, a peça é submetida a ensaios não destrutivos, tais como por raio X, inspeção por ultrassom, partícula magnética, líquido penetrante e análise metalográfica, para verificar a existência de descontinuidades e a qualidade do produto obtido. Na sequência, a peça pode ser submetida a uma operação de tratamento térmico. Após a conclusão do ciclo são realizadas novas inspeções, como dureza e avaliação da tensão residual.

Em seguida, inicia-se o processo de usinagem. É comum a realização de auditorias durante esta etapa, para a garantia de que todas as dimensões reais estejam em concordância com os parâmetros especificados. Após a conclusão do processo de usinagem há uma inspeção final da dureza, do dimensionamento e algum outro ensaio não destrutivo (ultrassom final, partícula magnética, líquido penetrante).

Requisitos para areias de fundição

A areia de moldagem deve cumprir alguns requisitos, como estabilidade térmica e dimensional para altas temperaturas, tamanho da partícula, morfologia e distribuição apropriadas, estabilidade química quando em contato com o metal fundido, isenção de partículas de baixa temperatura de fusão e de produtos geradores de gases, apresentação de afinidade com o material de substrato e baixo custo. As propriedades gerais de uma areia de fundição dependem das suas características e do aditivo mineral de constituição.

O tipo de areia e sua distribuição afetam diretamente as propriedades, como refratariedade, permeabilidade e expansão. A resistência mecânica do molde é influenciada pelo percentual de aditivo e sua adequada mistura ou homogeneização. A qualidade superficial da peça fundida depende do tamanho das partículas e de sua distribuição. Quanto mais fina for a distribuição granulométrica da areia, melhor será o acabamento superficial; porém, pior será a permeabilidade e maior o consumo de aditivo. O grau de pureza da areia também é uma característica de

qualidade importante, visto que pode influenciar diretamente as propriedades refratárias e, inclusive, prejudicar a ligação com determinados tipos de aditivos.

Materiais e métodos

Preparação da areia

A areia utilizada neste experimento foi preparada em laboratório, de acordo com o documento CEMP-182[8], porém com a mesma metodologia de preparação usada em escala de produção. Foram preparadas diferentes bateladas com um misturador ML-7 de fabricação Mesterlide, cada qual com sua proporção de matériaprima específica.

A batelada padrão foi preparada exatamente da mesma forma adotada em escala de produção e, em função

 

dessa referência, foi elaborado um planejamento de experimentos.

O tempo de mistura foi ajustado às condições do laboratório. Foi definido um planejamento de experimentos contendo três fatores e três níveis, para avaliar a influência individual de cada uma das matérias-primas e sua interação nas propriedades de um determinado tipo de areia.

A batelada de areia padrão foi baseada na proporção utilizada em condições normais de produção: areia de sílica quartzosa #40/50 (400 g) e areia de sílica #200 (50 g). Foram adicionados também bentonita sódica natural (28,5 g), dextrina (4 g), óxido de ferro (8 g) e água (20 g).

O objetivo principal deste experimento é reduzir o consumo da areia de sílica #200 por meio de sua substituição pelo resíduo de tijolo e placas refratárias. Esse resíduo é um pó refratário de granulometria muito fina, obtido do corte de manilhas e placas refratárias, que usualmente são empregadas em válvulas e no revestimento de panelas de fundição, e do forno de fusão, que têm contato direto com o metal fundido.

A composição química típica do resíduo em questão e da areia de sílica #200 consta na tabela 1. É possível observar que o resíduo refratário apresenta uma grande quantidade de Al₂ O₃, o que poderia contribuir para aumentar a resistência do molde a altas temperaturas.

As bateladas foram preparadas como segue:

1) Pesagem das matérias-primas conforme planejamento de experimentos.

2) Adição dos materiais ao misturador e início do processo de homogeneização.

3) Decorridos 120 s, adição do conteúdo de água previsto no experimento, quando todos os materiais permaneceram em agitação.

Após a conclusão da adição da água prevista no experimento, a mistura permanece em agitação por mais 180 s, para assegurar a completa homogeneização. Depois desse período adicional, a areia está pronta para o início dos testes de laboratório.

Planejamento de experimentos

Na tabela 2 há o planejamento de experimentos usado nesse estudo.

Foram planejadas reduções de 7,5% e 15% do conteúdo original da areia de sílica quartzosa #40/50, considerados como níveis 0 e -1, respectivamente. A condição padrão do processo (400 g) foi considerada como nível +1.

Objetivou-se uma redução entre 50% e 100% no conteúdo padrão da areia de sílica quartzosa #200, por meio da substituição do seu conteúdo pelo resíduo refratário.

Testes de laboratório

Análise do tamanho do grão

Foram utilizadas as seguintes peneiras de acordo com a norma

Fig. 4 – Efeito principal e da interação entre variáveis para dureza a seco (gráficos superiores) e a verde (gráficos inferiores)

ABNT: #6 (3,35 mm), #12 (1,79 mm), #20 (0,85 mm), #30 (0,60 mm), #40 (0,42 mm), #50 (0,30 mm), #70 (0,21 mm), #100 (0,15 mm), #140 (0,107 mm), #200 (0,075 mm) e #270 (0,053 mm) e fundo.

Os testes foram conduzidos tendo como referência o documento CEMP–081[5].

Resistência à tração a seco

Foram confeccionados três corpos de prova para cada batelada, de acordo

Fig. 5 – Efeito principal e da interação entre variáveis para umidade

com o documento CEMP-162^[7]. Foi empregada uma máquina universal de ensaios, fabricada pela Dietert Detroit Product, para a realização dos testes.

Resistência à compressão a verde e a seco

Foram preparados três corpos de prova para cada batelada, tanto para os testes a seco quanto a verde. A produção dos corpos de prova e os testes foram realizados de acordo com os documentos de referência CEMP-060[2] e CEM P-066[4]. Foi aplicada uma máquina universal de ensaios, fabricada pela Dietert Detroit Product.

Compactação

Foi confeccionado um corpo de prova para cada batelada, de acordo com o documento de referência CEMP-065[3].

Foi usada uma máquina especifica para a realização do ensaio de compactação, fabricada pela Dietert Detroit Product.

Dureza a verde e a seco

Foram produzidos três corpos de prova para cada batelada na realização do teste de dureza a seco e um corpo de prova para cada batelada, no teste de dureza a verde. As amostras foram colocadas numa base plana e, em seguida, submetidas à medição da dureza. Para isso, foram utilizados durômetros específicos, fabricados pela Dietert Detroit Product.

Umidade

Foi analisada uma quantidade entre 10 e 20 g de material para cada batelada, de acordo com o documento CEMP-105 [6]. Na realização desse teste, foi usado um equipamento de análise infravermelho, fabricado pela Gehaka.

Resultados

Análise do tamanho do grão

As principais informações a respeito da granulometria do resíduo refratário estudado e da areia de sílica quartzosa constam na tabela 3. O material apresenta um módulo de espessura consideravelmente reduzido (#237), próximo do especificado para o agregado (sílica #200), o que sugere que o resíduo em questão possa ser usado para substituir a areia de sílica #200 típica.

Resistência à tração a seco

Como mostra a figura 1, comparando os experimentos é possível verificar que quando se emprega 50% do resíduo refratário em substituição à areia de sílica #200, a resistência à tração mantém seu resultado. Quando o percentual de substituição é elevado, atingindo 100% de substituição da areia de sílica #200 pelo resíduo refratário, a resistência à tração a seco cai consideravelmente.

A redução da quantidade de areia de sílica quartzosa #40-50, em função de sua substituição por outro constituinte (resíduo refratário), conduz a melhores resultados de resistência à tração. De maneira geral, esses resultados sugerem que é possível incorporar até 50% do resíduo de material refratário na mistura de areia, sem riscos para o processo de fundição.

Após analisar o efeito das interações sílica #40-50 com sílica #200 e sílica #40-50 com resíduo refratário, percebe-se que os resultados apresentam comportamento muito similar, com um favorecimento sutil para a mistura preparada com o resíduo refratário. Quando a quantidade do resíduo de material refratário é aumentada, a resistência à tração cai pela metade. Isso sugere que a substituição integral da sílica #200 pelo resíduo em estudo não é adequada.

Resistência à compressão a seco e a verde

Na figura 2, é possível notar que não ocorreram mudanças significativas nos resultados de resistência à compressão a seco, quando 50% da areia de sílica #200 foi substituída pelo resíduo de material refratário. O aumento adicional da quantidade desse material na mistura conduziu a uma redução expressiva no resultado de resistência à compressão.

A figura 2 mostra também que a resistência à compressão a verde diminui mais do que a resistência à compressão a seco. Mas, de uma maneira geral, o comportamento observado para os dois tipos de resistência é similar. Esses resultados sugerem que é possível incorporar até 50% de resíduo do material refratário na mistura, sem riscos para o processo de fundição.

Após analisar o efeito das interações entre a sílica #40-50 e a sílica #200, e da sílica #40-50 com o resíduo refratário, percebe-se que os resultados apresentam comportamento muito similar, com um favorecimento sutil para a mistura preparada com o resíduo refratário. Quando a quantidade do resíduo de material refratário é elevada, a resistência à compressão cai consideravelmente (de 110-115 MPa para 95 MPa). O fato sugere que a substituição integral da sílica #200 pelo resíduo em estudo não é adequada.

Compactação

A figura 3 não mostra mudanças significativas de compactação, ao serem comparados os níveis extremos do experimento. Isso sugere que a substituição da areia de sílica #200 pelo resíduo do material refratário não afeta os resultados. Considerando que esse teste trata-se de uma análise comparativa, pode-se concluir que não existiu diferença entre os resultados após a incorporação do resíduo.

Nota-se que o percentual de compactação obtido para o nível experimental intermediário, de uma maneira geral, apresenta resultados

Fig. 6 –. Correlação entre os parâmetros estudados

mais baixos. Como para esse nível experimental (50% de areia de sílica #200, 50% de resíduo refratário, além, obviamente, da areia de sílica quartzosa #40-50) estão presentes na mistura três tamanhos de partículas, em função dos diferentes constituintes presentes (sílica #40-50, sílica #200 e resíduo refratário #237), pode-se esperar a ocorrência de eventuais falhas na acomodação.

Por vezes, as partículas mantêm um perfeito contato superficial umas com as outras, assegurando um empacotamento muito melhor. Porém, a ocorrência de tais falhas também é considerada previsível, uma vez que existe uma maior heterogeneidade morfológica, em função da maior variabilidade dimensional. Por conta disso, no que se refere à compactação, a substituição integral da areia de sílica quartzosa #200 pelo resíduo de material refratário seria benéfica.

Dureza a seco e a verde

A figura 4 mostra que não existe mudança significativa nos resultados de dureza a seco e a verde, após a incorporação do resíduo de material refratário, embora pareça existir uma sutil tendência de queda do nível médio de dureza, com o aumento do percentual de incorporação. Vale ressaltar que esse nível apresenta uma tendência de aumento, quando a quantidade de areia de sílica quartzosa #40-50 é reduzida.

Esse fato deve-se, provavelmente, à incorporação de uma maior quantidade de particulados reduzidos e com nível de dureza superior (resíduo refratário, que apresenta granulometria mais refinada do que a areia de sílica #200).

Analisando os gráficos que avaliam o efeito da interação entre variáveis, percebe-se que o nível médio de dureza tende a apresentar um incremento quando o resíduo de material refratário é incorporado.

Umidade

A figura 5 mostra que não ocorreu mudança significativa no percentual de umidade quando 50% do resíduo do material refratário foi incorporado, substituindo a areia de sílica #200. Isso ainda sugeriu que a integração do resíduo estudado é possível.

A substituição total da areia de sílica #200 implicou em uma redução da umidade, propondo que os aglomerantes existentes nesta areia tenham contribuição razoável para a manutenção da umidade da mistura. No entanto, isso não aconteceria com o resíduo refratário, em função do material não apresentar matéria orgânica em sua constituição.

Percebe-se também que a areia de sílica quartzosa #40-50, quando em menor quantidade, conduz a uma rápida redução na umidade da areia e sugere que a maior parcela seja causada pela areia de sílica #200 e não pela #40-50.

Correlação entre parâmetros

A figura 6 mostra a correlação direta entre a resistência à tração a seco e a resistência à compressão a seco. Os resultados sugerem a existência da seguinte relação: Resistência à compressão a seco = 2,6 x resistência à tração a seco.

Portanto, esses dois parâmetros podem ser utilizados satisfatoriamente para a análise do comportamento da mistura.

Não existe correlação entre as resistências à compressão a seco e a verde. Portanto, deve-se ter muito cuidado ao se utilizar o teste de compressão a verde, para que não sejam tiradas conclusões errôneas acerca do comportamento da areia. Tais resultados mostram que a resistência à compressão a verde não é um teste cuja proporção de dados seja confiável para a tomada de decisões. Em função disso, recomenda-se apenas a utilização do ensaio de compressão a seco.

Não foi encontrada correlação entre a resistência à compressão (tanto a verde quanto a seco) e a umidade, o que sugere que esta não pode ser utilizada como único parâmetro de análise para tomada de decisões. Também não foi encontrada correlação entre compactação e dureza ou entre dureza a verde e a seco. Esses resultados reforçam a necessidade do cuidado na utilização do ensaio de dureza a verde.

Conclusão

Os resultados dos testes mecânicos sugerem que o resíduo de material refratário pode ser utilizado na preparação da areia de moldagem, substituindo a areia de sílica #200 em até 50% de sua constituição, sem riscos para o processo de fundição.

Esta alternativa permitiria a redução dos custos totais de elaboração da areia, devido à redução do consumo da areia de sílica #200. Tal recurso possibilitaria também a redução de resíduos destinados a aterros sanitários, em função da sua utilização no próprio processo, como um coproduto.

A substituição total da areia de sílica #200 pelo resíduo de material refratário, entretanto, não é recomendável. Para isso, seria necessária a realização de testes adicionais em escala real de produção, para melhor avaliação dessa possibilidade.

Os resultados indicam que a incorporação do resíduo de material refratário é possível. Para o processo objeto desta pesquisa, estima-se uma redução no custo total de preparação da areia da ordem em 7% (US$ 25 mil/ano, considerando R$ 1,8/US$) com a substituição de 50% da areia de sílica #200 pelo resíduo estudado.

Bibliografia

 

1] Bass, I., 2007: Six Sigma statistics with Excel and Minitab, 1st edition, McGrawHill, New York.

2] CEMP-060, Novembro de 2003: Bentonita para fundição – determinação da resistência à compressão à verde da mistura padrão, Comissão de Estudos de Matérias-Primas, ABIFA.

3] CEMP-065, Outubro de 2003: Bentonita para fundição – determinação da compactabilidade da mistura padrão, Comissão de Estudos de Matérias-Primas, ABIFA.

4] CEMP-066, Outubro de 2003: Bentonita para fundição – determinação da resistência à compressão a seco da mistura padrão, Comissão de Estudos de Matérias-Primas, Abifa.

5] CEMP-081, Maio de 2003: Materiais granulares usados em fundição – determinação da distribuição granulométrica e módulo de finura, Comissão de Estudos de Matérias-Primas, Abifa.

6] CEMP-105, Março de 2003: Materiais para fundição – determinação do teor de umidade, Comissão de Estudos de Matérias-Primas, Abifa.

7] CEMP-162, Fevereiro de 2003: Resina cura a frio para fundição – determinação da resistência à tração da mistura padrão, Comissão de Estudos de MatériasPrimas, Abifa.

8] CEMP-182, Março de 2003: Preparação da mistura padrão utilizando batedeira planetária para o ensaio de resina cura a frio para a fundição, Comissão de Estudos de Matérias-Primas, Abifa.

9] Laszlo, G.P., 1997: The role of quality cost in TQM, The TQM Magazine, Vol. 9, No. 6, pp. 410 a 413.

10] Okida, J.R., 2006: Estudo para minimização e reaproveitamento de resíduos sólidos de fundição. Dissertação de mestrado (Engenharia de Produção) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná.

11] Robles Júnior, A., 2003: Custos da qualidade: aspectos econômicos da gestão da qualidade e da gestão ambiental, 2ª edição, Atlas, São Paulo.

12] Silva, E.R.S.; Silva, C.E.S., 2002: Sistemas de custos como fator para o gerenciamento de unidades de negócio – pesquisa ação em serviço, IX Congresso da Associação Brasileira de Custos – ABC, Rio Grande do Sul.