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Disciplina: Processos de Fabricação Parte 2: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Dr. Eng. Metalúrgica
Aula 04 – Escoamento de metais líquidos – Canais de Enchimento 1. Introdução -
o o o o
Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Escoamento de Metais em Canais. Turbulência e número de Reynolds. Lei da Continuidade. Perda de Cargas. Coeficiente de Perda de Cargas. 2. Elementos dos Sistemas de Canais Relações de Escalonamento (relações de áreas) Sistemas Pressurizados e Sistemas Despressurizados. Bacia de Vazamento. Canal de Descida. Canais de Distribuição e Ataque. Posicionamento dos Ataques com Relação ao Canal de Distribuição. Sistemas Verticais de Enchimento.
-
3. Projeto dos sistemas de canais de enchimento Equações Fundamentais. Determinação do Tempo de Enchimento da Peça. Determinação da Velocidade Método da Seção de Choque.
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Sistemas de Canais 1 2
6 7
4 3 5
1 . Bacia de Vazamento
2 . Descida
5 . Ataque
3 . Distribuição
6 . Ventilação
4 . Retenção de Escória
7 . Massalote
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Componentes Básicos de um Sistema de Canais de Enchimento
Bacia de Vazamento Canal de Descida
Peça
Molde com Apartação Horizontal
Pé do Canal de Descida Canais de Distribuição
Canais de Ataque
Extensão do Canal de Distribuição
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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais 1. Turbulência e Número de Reynolds Re = (v.d) / υ
v = velocidade do fluído d = diâmetro hidráulico do canal υ = viscosidade cinemática do líquido
υ=µ/δ
cm2. 10-2 / s
C.G.S.
µ = viscosidade dinâmica (centipoise) δ = densidade do líquido (g/cm3)
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Valores de Viscosidade Cinemática para alguns Líquidos Viscosidade Cinemática (cm2 . 10-2/s)
Temperatura (0C)
Água
1,00
20
Alumínio
1,27
700
F0F0
Cinzento
0,45
1300
F0F0
Branco
0,40
1300
Cobre
0,40
1200
Ferro
0,89
1600
Fe - 0,75%C
1,10
1500
Fe – 3,4% C
1,50
1300
Líquido
Chumbo
0,22
400
Magnésio
0,80
680
Mercúrio
0,115
20
Ligas Metálicas
0,1/1,5
S = 500
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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais
Fluxo Laminar Re < 2000 Fluxo Turbulento 2000 ≤Re ≤ 20000
Fluxo Severamente Turbulento Re ≥ 20000
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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Fluxo de Metal na maioria dos casos Reais em Fundição Critério no Cálculo de Canais de Enchimento Consequência ⇒ Prática
⇒ ⇒
Turbulento Manutenção de Re < 20.000
Para Re < 20.000 a turbulência é mais interna ao fluxo, com uma fina camada junto à parede
⇓ Evita-se a quebra da camada de óxido formada na superfície do líquido e sua introdução no seio do líquido
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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais 2 . Lei da Continuidade Em um canal fechado completamente cheio, a vazão é constante, independentemente de variações locais da velocidade ou da área transversal
Q = v1 . A1 = v2 . A2 v1 e v2 = velocidades no pontos 1 e 2 (cm/s) A1 e A2 = áreas da seções transversais nos pontos 1 e 2 (cm2) Q = vazão do líquido em todos os pontos do canal (cm3/s)
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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais 3 . Perdas de Carga
Em todo o Sistema Real
Ocorrência de perda por atrito decorrentes da interação entre as paredes dos canais e o líquido que possui certa viscosidade. Perdas localizadas devido às mudanças de direção e dimensões dos canais
Perdas adicionais Em Fluxos ⇒ Turbulentos ⇒ devidos às características do fluxo
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Efeitos de atrito internos à massa líquida
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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Situações de Perda Localizada por Variação de Seção
⇓ Ocorrência de Desligamento entre o fluxo e as paredes
⇓ Zonas com Desligamento de Fluxo
Aparecimento de regiões de “baixa pressão”
⇓ Conseqüência Prática: aspiração de ar e gases resultando em defeitos.
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Aumento de seção
Redução de seção Representação esquemática mostrando a formação de áreas de ¨baixa pressão¨ devido a variações abruptas na seção transversal de um conduto
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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Situações de Perda Localizada por Mudança de Direção
⇓
Ocorrência de Desligamento entre o fluxo e as paredes
⇓
Aparecimento de regiões de “baixa pressão” Zonas com Desligamento de Fluxo
⇓
Conseqüência Prática: aspiração de ar e gases resultando em defeitos.
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(a) Turbulência devido a presença de canto vivo
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(b) Aspiração de ar devido a presença de canto vivo
(c) Uso de arredondamentos minimizando a turbulência e a aspiração de ar.
Esquema mostrando o fluxo de um fluído com mudança na direção do fluxo.
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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Considerando-se as perdas por atrito, o cálculo da velocidade em algumas seções de área A, no sistema fica: v = √ 2. g. h . 1/ (√ 1 + Kn (A / An)2
Kn = coeficiente tabelado A = área do ponto onde ser quer a velocidade
α = coeficiente global de perdas
An = áreas de perda
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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Coeficientes de Perda sugeridos por Wallace e Evans Tipo de Perda Entrada da Bacia para o Canal de Descida
Coeficiente
Sem Concordância
0,75
Com Concordância
0,20
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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Coeficientes de Perda sugeridos por Wallace e Evans Tipo de Perda Junção Descida/Distribuição
Coeficiente
Sem Concordância -
2,0
Com Concordância -
1,5
Sem Concordância -
1,5
Com Concordância -
1,0
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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Coeficientes de Perda sugeridos por Wallace e Evans Tipo de Perda Coeficiente Junção em I
2,0
Junção Distribuição/Ataque Sem Concordância
2,0
Com Concordância
0,5
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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Coeficientes de Perda sugeridos por Wallace e Evans Perdas por Fricção Coeficiente Canais Redondos -
0,02 L/D
Canais Quadrados -
0,06 L/Dh
Canais Retangulares -
0,07 L/Dh
L = Comprimento D = Diâmetro
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Coeficientes Globais de Perda sugeridos por Wallace e Evans para Sistemas Despressurizados
Canal de Canal de Descida Reto e Descida Afunilad Estrangulamento na Distribuição o 0,90 0,73
Tipos de Sistemas 01 Canal de Distribuição 02 Canais de Distribuição, com vários ataques, sem mudança de direção no canal 02 Canais de Distribuição, com vários ataques, mudanças de direção de 900 no canal
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0,90
0,73
0,85
0,70
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ELEMENTOS DOS SISTEMAS DE CANAIS Relações de Áreas Sistemas Pressurizados ⇒
Sistemas Despressurizados Idéia Básica
⇒
⇒
A seção menor corresponde aos Ataques A seção menor corresponde ao Canal de Descida
Aumentar ou diminuir a velocidade do fluxo a partir da diminuição ou aumento das áreas
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Relação de Áreas (Escalonamento) • Indica a proporção de área dos três componentes básicos do sistema Área Descida Área Descida
1
:
A1
:
:
Área Distribuição Área Descida
A2
:
Sistemas ⇒ Pressurizados
Sistemas Despressurizados
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Área Ataque Área Descida
⇒
A2 < 1
A2 > 1
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Vantagens dos Sistemas Pressurizados
• Sistemas Mais Leves
• Sistemas é forçado a trabalhar cheio
⇒
Maior Rendimento Metálico
⇒
Favorece fluxo uniforme e separação de inclusões de escórias e areias
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Desvantagens dos Sistemas Pressurizados ↑ Perigo de erosão do molde Aumento da Velocidade do Fluxo
Provoca forte turbulência na entrada do jato de metal na cavidade da peça.
⇓ Favorecimento à oxidação e formação de drosses. Aspiração de gases e ar em mudanças de seção e de direção
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Sistemas Despressurizados • Indicados para ligas muito oxidáveis Desvantagens dos Sistemas Despressurizados • Possibilidade de aspiração de ar nos alargamentos de seção. • Possibilidade de preenchimento incompleto dos canais. • Menor Rendimento Metálico
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Bacia de Vazamento Vantagens da utilização de bacias de vazamento:
• Estabelece um fluxo mais regular, menos dependente do vazador. • Favorece a retenção de inclusões. • Dificulta a entrada de ar junto com o fluxo de metal.
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Seção longitudinal “Ideal” para uma Bacia de Vazamento
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Idéias Básicas para o Projeto e Uso de Bacias . Fundo plano e seção retangular de modo a reduzir a agitação do metal vazado da panela e impedir a formação de vórtices (copos de vazamento cônicos) • A altura na bacia deve ser mantida em nível suficiente para evitar turbulência e aspiração de ar. • A entrada do canal de descida deve ser arredondada para evitar turbulência e aspiração de ar
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Canal de Descida V =
2.g.h . α
⇒
Velocidade adquirida por um fluxo de metal em um canal de descida.
h = distância a partir do nível do metal na bacia de vazamento
⇓ Quanto mais o fluxo desce, maior será a sua velocidade, como a vazão ao longo do canal é constante.
⇓ Necessidade de redução progressiva na área da seção transversal
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Conicidade Ideal do Canal de Descida
Ax =
(
h/x
⇒
) . An
Ah
h x
Ax
Caso não se altere a área da seção transversal, tem-se turbulência e aspiração de ar
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Depressão e aspiração de ar
(a)
(b)
(c)
Representação esquemática mostrando, (a) Fluxo natural de um fluído livre, (b) Aspiração de ar induzida pelo fluxo de líquido em um conduto com paredes retas, (c) fluxo de líquido em um conduto cônico.
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Recursos a serem utilizados quando não é possível reduzir a seção do canal de descida
Uso de macho estrangulador
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Canal de Descida Seção Transversal ⇒
Estreitamento no início do canal de distribuição
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Seções quadradas ou retangulares são melhores do que seções circulares no sentido de evitar a formação de vórtices.
Sistemas Pressurizados As ≥ Ac .
H/h
h As
Ac
H
Ac = Área dos Ataques As = Área da Descida
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Canais de Distribuição e Ataque Aspecto mais Importante
⇒
Distribuição de Fluxo pelos diversos Ataques
Fatores que influem na Distribuição do Fluxo : • Relação de áreas (Aa) • Posicionamento do Canal de Descida
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4
Taxa de 3 Fluxo
2,00 1,00
2
0,50
1
0,25
Relação de Áreas
0 A
B
C
D
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4
2,00
Taxa de 3 Fluxo
1,00
2
0,50
1
0,25
0
A
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B
C
Relação de Áreas
D
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Posicionamento dos Ataques em Relação ao Canal de Distribuição
Localização dos Ataques na Parte Inferior do Canal de Distribuição
⇒
Localização dos Ataques na Parte Superior do Canal de Distribuição
⇒
Sistemas Pressurizados
Sistemas Despressurizados
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Sistemas Verticais de Canais de Enchimento Sistema Simples
Má distribuição de Fluxo
Maior parte do metal passa pelo canal inferior.
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Sistemas Verticais de Canais de Enchimento
Sistema com Angulo
Diminui a Energia Cinética
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Sistemas Verticais de Canais de Enchimento Sistema com Canal de Distribuição Invertido
Equalização do fluxo através dos canais de ataque
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Sistemas Verticais de Canais de Enchimento
Ataque de baixo para cima, permitindo um preenchimento mais brando da cavidade da peça (com mínima turbulência)
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Dimensionamento do Sistema de Canais Todo o cálculo de dimensões dos sistemas de canais baseiase nas equações: VAZÃO = VOLUME TEMPO
e
VOLUME =
MASSA R DENSIDADE
VAZÃO = VELOCIDADE X ÁREA Portanto: ÁREA = MASSA /(DENSIDADE X VELOCIDADE X TEMPO) (Equação 01)
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Determinação do Tempo de Enchimento da Peça Wallace e Evans ⇒
AFS ⇒
t = Kf ( 1,4 + 0,7144 . e ) . t = tempo (s) e = espessura (cm) m = massa (g)
Ferros Fundidos Cinzentos
m x 10-3
Kf = F / 40
(Equação 02)
F = Fluidez (cm)
⇓ Tabelada em função da composição e do grau de superaquecimento
Obs. : para peças acima de 450 Kg recomenda-se substituir 3 m x 10-3 na equação 2. m x 10-3 por
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Determinação da Velocidade Conforme visto anteriormente: • Como a altura efetiva em cada momento do preenchimento é diferente, pois o v = 2.g.h . α líquido acima do plano de distribuição e ataque exerce uma contrapressão, usa-se a velocidade média a partir do nível do ataque:
Vm =
2.g 2
. ( 1+
1 – ho / h1)
h1 = altura total disponível no sistema
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h0 = 0
.
h1
h0 = altura da peça acima do nível do ataque
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h1
h0
h1 ho
400
0 0,2 h1 0,4 h1 0,6 h1 0,8 h1
Velocidade de enchimento (cm/s)
500
300
200 100
0 0
200
(Equação 03)
400
600
h0
h1
Velocidade da menor seção do sistema em função da altura disponível (h1) e da altura da peça acima do nível dos ataques (h0)
800
Altura de vazamento (mm)
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Método da Seção de Choque
Elementos que precisam ser discriminados: 1- altura do canal de entrada (ou de descida) → H (cm) 2- altura da peça → C (cm) 3- altura da peça acima da seção de choque → B (cm) 4- peso da peça+massalotes → P (Kg)
- Inicialmente determina-se a altura efetiva (Hef) Hef = H - b2/ 2c
P = Peso de todo o sistema a ser enchido (peça+masalotes) Hef = altura efetiva K = constante do material ( cm5/2 / Kg1/2)
- Calcula-se então a Sc (seção de choque)
Ferro Fundido → 4,86 Aços → 10,6 Bronzes → 5,34
Sc =K
P H ef
Alumínio → 8,25
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