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| B. Engenharias - 1. Engenharia - 9. Engenharia Mecânica | ||
| ESTUDO DE MODELO TEÓRICO DO PROCESSO DE SOLIDIFICAÇÃO DE METAIS SUPERAQUECIDOS EM MOLDES REFRIGERADOS COM GEOMETRIA PLANA EM CONDIÇÕES TRANSITÓRIAS DE EXTRAÇÃO DE CALOR | ||
| Maria Adrina Paixão de Souza da Silva 1 (mariaestillac@hotmail.com) e Antonio Luciano Seabra Moreira 1 | ||
| (1. Depto. de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Pará - UFPA) | ||
| INTRODUÇÃO:
O fenômeno da solidificação dos materiais metálicos pode ser considerado como um processo de transferência de calor em regime transiente. A transformação liquido/sólido é acompanhada por liberação de calor latente com uma fronteira móvel separando as duas fases, sólida e líquida, cujas propriedades termofísicas são distintas. O estudo da transferência de calor na solidificação apresenta dois objetivos principais: a determinação da distribuição de temperaturas no sistema metal/molde e a determinação da cinética da solidificação. A análise matemática da solidificação é, no entanto, bastante complexa uma vez que envolve transferência de calor em regime transiente e, portanto, equações diferenciais com condições de contorno não lineares. Conseqüentemente, a solidificação através da extração de calor unidirecional (aplicável a sistemas com geometrias planas), devido à sua relativa simplicidade tem sido a mais estudada, pois a dificuldade se acentua à medida que a geometria da peça assume formas mais complexas. Assim, neste trabalho, é realizado um estudo comparativo dos tempos e velocidades de solidificação de metais em moldes refrigerados com extração de calor unidirecional, objetivando analisar a influência do superaquecimento sobre os parâmetros envolvidos no processo de solidificação considerando que estes assumem particular importância para o controle da estrutura final do produto obtido, uma vez que afetam, por exemplo, a morfologia da interface sólido/líquido. |
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| METODOLOGIA:
Garcia e Prates propuseram um modelo analítico exato para o estudo da solidificação de metais puros e ligas eutéticas o qual encontra-se em literatura recente [Garcia, 2001]. Os autores consideram as seguintes simplificações físicas durante o desenvolvimento do mesmo: a) O fluxo de extração de calor do metal é unidimensional, com o metal e o molde sendo considerados semi-infinitos; b) A resistência térmica da interface metal/molde é representada por um coeficiente de transferência de calor metal/molde; c) A interface sólido/líquido é macroscopicamente plana; d) Não há convecção térmica no metal líquido. e) As propriedades termofísicas do metal e do molde permanecem constantes Tais hipóteses permitem que a equação de Fourier [Garcia, 2001], para condição unidimensional de calor em regime transitório, possa ser utilizada de forma exata na solução do problema, caso a transferência newtoniana na interface metal/molde não proporcione uma descontinuidade no perfil de temperaturas. Para contornar esse fenômeno, Garcia e Prates [Garcia, 2001].admitiram como hipótese adicional uma resistência newtoniana como equivalente a duas parcelas de resistências térmicas virtuais. Assim, a análise da solidificação de metais puros e ligas eutéticas não-ferrosas em sistemas metal/molde refrigerados com geometria plana, neste trabalho, é realizada a partir do método matemático acima referido o qual descreve os tempos e as velocidades de solidificação em função da espessura de metal solidificado. |
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| RESULTADOS:
Analisou-se os resultados obtidos para o alumínio e as ligas eutéticas Al-33Cu e Zn-33Al, submetidos a diferentes graus de superaquecimento, em moldes planos de comprimento 0,15 m fornecidos pelas equações do método matemático acima citado. Considerando-se um mesmo material, observa-se que para uma mesma camada de metal solidificado e diferentes temperaturas de vazamento, ocorre um sensível aumento nos tempos de solidificação, bem como para essa mesma espessura, porém um mesmo grau de superaquecimento, os tempos são mais elevados para o eutético Zn-5Al e menos elevados para o alumínio, em função de suas propriedades físicas, e a diferença entre esses tempos se reduz significativamente com o aumento da temperatura de vazamento. Por outro lado, nota-se que as velocidades de solidificação diminuem linearmente com a espessura de metal sólido à medida que o processo evolui, ou seja, para níveis mais elevados de superaquecimento do metal líquido, o que pode ser explicado pelos motivos anteriormente expostos para o caso dos tempos de solidificação. Finalmente verifica-se que ao considerarmos uma mesma camada solidificada de metal em um mesmo grau de superaquecimento, estas velocidades são bem mais elevadas para o alumínio e menos elevadas para a liga eutética Zn-5Al devido à combinação de suas propriedades físicas. No entanto, a diferença entre estas velocidades diminui consideravelente com o aumento da temperatura de vazamento. |
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| CONCLUSÕES:
Os resultados obtidos para o alumínio e as ligas eutéticas Al-33Cu e Zn-5Al permitem concluir que é muito importante o desenvolvimento de soluções analíticas para o estudo da solidificação de metais uma vez que estas, além da boa precisão em alguns casos, apresentam a vantagem da simplicidade e facilidade de cálculo. A análise demonstra que o método analítico desenvolvido pode ser utilizado na estimativa da cinética de solidificação de metais com diferentes níveis de superaquecimento, em uma série de aplicações de interesse prático, bastante empregadas em processos de fundição. No que se refere aos resultados obtidos para os tempos e velocidades de solidificação na geometria plana podemos afirmar, de maneira geral, que: (1)O aumento do nível de superaquecimento eleva os tempos de solidificação diminuindo, portanto, as velocidades do processo quando consideramos uma mesma camada de metal solidificado; (2)Para a geometria unidirecional, os tempos aumentam continuamente do início ao fim do fenômeno, onde verificamos que ao levarmos em conta uma mesma camada solidificada e um mesmo grau de superaquecimento, estes tempos são maiores para o Zn-5Al e menores para o alumínio e o Al-33Cu, em função de suas propriedades físicas; (3)As velocidades no sistema unidirecional diminuem linearmente com o avanço da interface sólido/líquido, e para uma mesma camada solidificada de metal e um mesmo grau de superaquecimento estas são maiores para o alumínio. |
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| Trabalho de Iniciação Científica | ||
| Palavras-chave: Cinética de solidificação; Solidificação unidirecional; Regime transitório de extração de calor. | ||
| Anais da 57ª Reunião Anual da SBPC - Fortaleza, CE - Julho/2005 |