aplicação de bases conceituais de tribologia no

APLICAÇÃO DE BASES CONCEITUAIS DE TRIBOLOGIA NO BENEFICIAMENTO
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APLICAÇÃO DE BASES CONCEITUAIS DE
TRIBOLOGIA NO BENEFICIAMENTO DE
GRANITOS ORNAMENTAIS
Rogério Pinto Ribeiro
Leonardo Luiz Lyroda Silveira
Doutorando do Curso de Pós-Graduação em Geotecnia,
Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo,
Av. Trabalhador São-Carlense, 400, CEP 13566-970, São Carlos, SP,
e-mails: [email protected]; [email protected]
Antenor Braga Paraguassú
José Eduardo Rodrigues
Professor Titular do Departamento de Geotecnia,
Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo,
Av. Trabalhador São-Carlense, 400, CEP 13566-970,
São Carlos, SP, e-mails: [email protected], [email protected]
Resumo
A compreensão da serragem e do polimento de granitos ornamentais como sendo processos de desgaste de uma superfície,
em que existe íntima relação entre diversas variáveis, ainda não se encontra devidamente equacionada. O presente
trabalho aborda, de modo pioneiro, o tribossistema rocha, abrasivo e variáveis operacionais. Este enfoque propicia um
maior entendimento dos fenômenos envolvidos no processo industrial e contribui para a diminuição do empirismo
freqüentemente observado na indústria das rochas ornamentais.
Palavras-chave: rochas ornamentais, serragem e polimento, tribossistema.
Introdução
O beneficiamento de rochas ornamentais compreende
uma sucessão de etapas de desgaste abrasivo, que se inicia
com a serragem dos blocos e vai até o polimento final das
placas. A abordagem de estudo dessas etapas, em diversos
casos, pode ter o mesmo enfoque dado pela Tribologia,
ramo da engenharia mecânica que trata dos mecanismos
de desgaste de ligas metálicas. O desgaste, segundo tal
enfoque, se insere no chamado tribossistema, cujo resultado
final retrata a interação entre as propriedades intrínsecas
da rocha, do abrasivo e das variáveis operacionais do processo.
Para compreender adequadamente as interações entre essas
três variáveis, é conveniente organizá-las de tal maneira
que cada aspecto particular seja tratado como elemento
de um conjunto com determinado número de variáveis.
Dessa forma, têm-se envolvidos os seguintes parâmetros:
da rocha – mineralogia, textura, grau de alteração, anisotropia
e propriedades mecânicas; do abrasivo – dureza, parâmetros
de forma e tamanho; do processo – velocidade de avanço,
carga aplicada, velocidade de corte e tipo de movimento.
Os parâmetros relativos à rocha, principalmente no caso
dos granitos, mostram grande complexidade para a
quantificação do desgaste, razão pela qual não há ensaios
laboratoriais que possam simulá-lo com fidelidade nas
várias etapas do beneficiamento. A abordagem desse assunto,
sob a óptica da Tribologia, propicia maior conhecimento
dos fenômenos envolvidos no processo industrial e contribui
para a diminuição do empirismo verificado nesse setor
produtivo.
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RIBEIRO, PARAGUASSÚ, RODRIGUES & SILVEIRA
Tribologia
A Tribologia envolve estudos do atrito e do desgaste
de corpos e pode ser definida como a ciência e a tecnologia
de superfícies que interagem em movimento relativo.
O atrito e o desgaste não são propriedades intrínsecas
dos materiais, mas sim características da interação desses
materiais com variáveis operacionais do processo a que
estão submetidos, sendo estes responsáveis, respectivamente, por dissipações de energia e matéria. O atrito é a
resistência ao deslocamento e é gerado a partir da interação
de sólidos em determinadas áreas de contato; já o desgaste
é a perda progressiva de material da superfície de um
corpo sólido, decorrente do contato e do movimento relativo
deste com outro corpo sólido, líquido ou gasoso (Zum
Gahr, 1987).
Em muitos setores das atividades humanas o desgaste
é um fator indesejável, pois causa perda da vida útil de
algum componente. Em se tratando da serragem e do
polimento de granitos ornamentais, o desgaste abrasivo
é fundamental para o processo de beneficiamento. Na
serragem de blocos em teares, os grãos de granalha, contidos
em uma mistura abrasiva, desgastam continuamente a rocha
e desdobram 1 m³ em aproximadamente 35 m² de placas.
O polimento dessas placas é também uma operação de
desgaste sobre a superfície rochosa que imprime o brilho,
a beleza e a sua durabilidade.
Para Zum-Gahr (op. cit.), o desgaste por abrasão
se caracteriza por movimento relativo entre um corpo duro
e uma superfície mais “mole”. Neste processo, tanto o
corpo duro pode ser fraturado como a superfície mais
mole pode ser trincada e/ou deformada, sendo posteriormente
removidos da superfície, resultando em mensurável perda
de volume. O desgaste abrasivo pode ser de contato a
dois e a três corpos (Figura 1). O primeiro ocorre quando
o abrasivo desliza ao longo de uma superfície e o outro,
quando ele desliza entre duas superfícies.
A resistência ao desgaste é considerada parte de
um sistema tribológico, sendo influenciada por vários
parâmetros, dentre eles o tipo de abrasivo, as propriedades
do material, as características do projeto e as condições
operacionais do equipamento de desgaste.
Para compreender as interações existentes entre essas
variáveis, é conveniente organizá-las em torno do conceito
de Sistema de Desgaste ou Tribossistema, de tal maneira
que cada aspecto particular seja examinado como elemento
de um todo mais amplo. De maneira esquemática, o
tribossistema existente no beneficiamento de rochas
ornamentais é mostrado na Figura 2.
Beneficiamento Primário
O beneficiamento primário (serragem ou desdobramento de blocos) constitui a primeira etapa do processo
de industrialização das rochas ornamentais. Os equipamentos
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e os produtos utilizados encontram-se detalhados em Coimbra
Filho et al. (2004).
As rochas são extraídas do maciço rochoso na forma
de blocos (aproximadamente 3 m x 1,8 m x 1,8 m) que
geralmente são serrados em teares (Figura 3), por meio
da ação combinada de lâminas de aço e da mistura abrasiva
constituída de água, cal e granalha metálica, distribuída
por gotejamento intenso sobre o bloco (Figura 4). Essa
mistura abrasiva é recolhida por um escoadouro posicionado
sob o tear e reutilizada por bombeamento contínuo em
circuito fechado.
A serragem de blocos, com as dimensões anteriormente
citadas, se constitui em uma operação de grande
complexidade, processada em um tempo mínimo de quatro
dias ininterruptos, e envolve controles minuciosos da lama
abrasiva (viscosidade, densidade, concentração do abrasivo),
velocidades vertical (avanço) e horizontal (das lâminas).
Matéria-prima (rocha) x serrabilidade
O avanço tecnológico dos equipamentos utilizados
na serragem tem proporcionado significativo aumento na
produção e na qualidade dos granitos ornamentais. Na
otimização desse processo é de suma importância que se
considere a rocha “realmente como um produto natural”,
lembrando que em sua gênese não há controle de qualidade.
Trata-se, portanto, de um material com diversidade em
suas características e que necessita de um controle tecnológico
que considere, entre outras variáveis, as relações dos minerais
presentes, a textura e a estrutura da rocha.
As rochas são formadas por diferentes minerais,
cada um com características particulares, que respondem
diferentemente ao conjunto das solicitações impostas na
serragem. As proporções relativas entre eles e as variações
texturais, como, por exemplo, tamanho, forma, presença
de pórfiros, imbricamento dos cristais, grau de
microfissuramento, grau de alteração, etc., podem ser
responsáveis por diferenças na resistência à abrasão e ao
impacto das lâminas nos teares.
A serrabilidade refere-se à facilidade com que uma
rocha é serrada. A título de exemplo, afirma-se que um
granito é de difícil serragem quando são elevados o tempo
decorrido para essa operação e o consumo de energia,
das lâminas e da mistura abrasiva.
O tipo de material constitui, obviamente, um dos
principais parâmetros que influenciam a serragem. Mesmo
assim, são raros os trabalhos que vinculam adequadamente
as propriedades intrínsecas dos granitos ornamentais à sua
serrabilidade e ao processo de serragem propriamente dito.
As investigações realizadas por Fornasero et al. (1988),
Citran (2000) e Sousa & Rodrigues (2002) exemplificam
essa lacuna do conhecimento técnico-científico. Quando
há registros operacionais específicos, eles são baseados
em dados de produção de diferentes teares. Tais trabalhos
abordam a rocha de modo superficial, fazendo com que
APLICAÇÃO DE BASES CONCEITUAIS DE TRIBOLOGIA NO BENEFICIAMENTO
importantes correlações não sejam realizadas. Muitas
características intrínsecas da rocha têm relação direta com
a sua serrabilidade, como o coeficiente de dilatação térmica,
o grau de microfissuramento e a compacidade dos minerais
constituintes.
O quartzo, por exemplo, possui coeficiente de
dilatação linear térmica duas vezes superior ao da massa
restante em seu redor. Isso provoca, durante a serragem
do granito, o aparecimento de microfissuras que facilitarão
o corte (Lima & Paraguassú, 2002). Já a presença de
pequenas fissuras ou fendas existentes no interior dos
cristais concorre para um enfraquecimento da estrutura
cristalina dos materiais (Berry et al., 1989; Antolini et
al., 1989; Mannella, 1992).
Figura 1
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Outra característica que deve ser considerada é a
maior ou menor tendência de “empastamento” dos fragmentos
de rocha desprendidos no decorrer da serragem, aumentando
ou diminuindo a viscosidade da mistura abrasiva inicial
(Perfetti et al., 1993a e b). Os fragmentos de rochas mais
compactas possuem baixa capacidade de agregação entre
si e produzem lamas pouco consistentes e com baixas
viscosidades. A velocidade de descida das lâminas (“cala”)
tende a ser mais baixa, ou seja, a serrabilidade é menor
(Tabela 1). Já na desagregação de granitos mais porosos,
a ocorrência de ligações mais fortes entre as partículas
da mistura leva a um maior grau de agregação e a viscosidades
altas, possibilitando, assim, uma cala relativamente maior
(serragem mais rápida).
Desgaste a dois (polimento) e a três (serragem) corpos (Zum-Gahr, 1987).
Abrasivo
Rocha
Desgaste
abrasivo
Processo
Figura 2
Sistema tribológico existente nas etapas de beneficiamento de rochas ornamentais.
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RIBEIRO, PARAGUASSÚ, RODRIGUES & SILVEIRA
Chuveiros
Biela
Lâminas
Bomba da lama
Figura 3
Figura 4
Tabela 1
Vista lateral de um tear (Pedrosa, 2003).
Ação da mistura abrasiva na serragem de um bloco de granito (Pedrosa, 2003).
Quantidades de granalha, viscosidade e velocidade de descida das lâminas (cala)
em função do material (Mannella, 1992).
Materiais
Quantidade de granalha
Viscosidade
Cala
Compactos
Menor
Baixa
Baixa
Porosos
Maior
Alta
Alta
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(A)
APLICAÇÃO DE BASES CONCEITUAIS DE TRIBOLOGIA NO BENEFICIAMENTO
Beneficiamento Secundário
Abrange todos os processos que conferem as
características dimensionais, de conformação e especificação
ao produto final, como o polimento das placas (que ressalta
a coloração, a textura e a aparência do material), o corte
(que confere as dimensões, formas e desenhos) e os
acabamentos finais.
O processo de polimento e lustro de placas de rochas
ornamentais se constitui em uma série de operações que
reduzem a rugosidade da superfície serrada para imprimir
determinada intensidade de brilho. É feito por meio de
elementos abrasivos que, conduzidos em movimentos de
fricção sobre o material, vão desbastando-o até atingir o
grau de polimento desejado. A qualidade final do polimento
de uma placa de rocha ornamental é determinada apenas
por métodos empíricos. Como regra geral, tal parâmetro
é inferido pela granulometria dos abrasivos utilizados durante
as etapas de polimento.
Fatores influentes no polimento
Certas características inerentes à rocha e outras relativas
aos processos de beneficiamento são determinantes na
qualidade final do polimento da placa de rocha. Algumas
são apresentadas a seguir:
A) Acabamento da serrada: quanto melhor a qualidade
da serrada, menos rugosa será a superfície da placa e,
por conseqüência, menor o gasto de abrasivos nas primeiras
etapas de polimento.
De acordo com Cetemag (2003), para definir se a
serrada foi de boa qualidade, deve-se fazer as seguintes
análises:
l
l
Correr toda a extensão da placa (comprimento, largura
e diagonal), com o auxílio de uma régua de alumínio
grande, para verificar se há empenamento.
Observar a presença de sulcos profundos e entradas
de lâminas nas cabeceiras de chapas, causadas por mau
tensionamento das lâminas e outros procedimentos
operacionais inadequados.
B) Dureza dos granitos: antes de começar o polimento,
deve-se estabelecer a seqüência correta dos grãos abrasivos,
em função do tipo de granito que será polido, levando-se
em conta a dureza e o grau de dificuldade de fechamento
entre as fases minerais presentes na rocha. Os granitos
são divididos em: duros, médios e macios, sendo os critérios
para essa divisão puramente empíricos. Para tanto, são
consideradas as características operacionais (tempo gasto
na serrada, velocidade de polimento, consumo de abrasivos,
etc.). Ou seja, não há qualquer busca para o entendimento
de quais características das rochas podem influir nesse
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processo (mineralogia, textura, estrutura, grau de alteração,
etc).
C) “Fechamento” do polimento: a Indústria da Pedra
convenciona chamar de fechamento uma característica
relacionada aos espaços e às depressões que algumas placas
já polidas podem apresentar. É influenciado principalmente
pela mineralogia, como a presença de quartzo, granada,
biotita, etc. Rochas sem quarzo (sienitos, por exemplo)
tendem a apresentar bom fechamento. Porém, não se deve
esquecer da qualidade do processo de polimento que a
rocha foi submetida. Muitas vezes a pressão de carregamento
nos rebolos abrasivos pode ter superado a resistência
mecânica do mineral, levando-o, assim, ao quebramento
e à abertura de poros.
Considerações Finais
A compreensão do corte e do polimento como
processos de desgaste de uma superfície, em que há íntima
relação entre diversas variáveis, ainda não se encontra
devidamente equacionada para o caso de rochas graníticas.
O avanço tecnológico dos equipamentos e insumos
verificado nos últimos anos é contrastante com a pouca
atenção dada às rochas. A falta de entendimento dos
mecanismos de interação entre elas, dos abrasivos e das
condições operacionais do beneficiamento faz com que
a qualidade do produto seja função, apenas, de conhecimentos
empíricos.
Um estudo integrado dessas variáveis deve ser feito
no âmbito da Tribologia, cujos conhecimentos podem auxiliar
na compreensão dos fenômenos envolvidos.
Neste sentido, o presente trabalho aborda, de modo
pioneiro, esse tribossistema, abrindo um leque de novas
possibilidades para o controle dos processos industriais
do setor de granitos ornamentais.
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