Aula 04-Canais de Enchimento

Disciplina: Processos de Fabricao Parte 2: Fundio Professor: Guilherme O. Verran Dr. Eng. Metalrgica

Aula 04 Escoamento de metais lquidos Canais de Enchimento1. Introduo -

o o o o

Noes de Mecnica dos Fludos Aplicadas ao Escoamento de Metais em Canais. Turbulncia e nmero de Reynolds. Lei da Continuidade. Perda de Cargas. Coeficiente de Perda de Cargas. 2. Elementos dos Sistemas de Canais Relaes de Escalonamento (relaes de reas) Sistemas Pressurizados e Sistemas Despressurizados. Bacia de Vazamento. Canal de Descida. Canais de Distribuio e Ataque. Posicionamento dos Ataques com Relao ao Canal de Distribuio. Sistemas Verticais de Enchimento. 3. Projeto dos sistemas de canais de enchimento Equaes Fundamentais. Determinao do Tempo de Enchimento da Pea. Determinao da Velocidade Mtodo da Seo de Choque.

-

Processos de Fabricao Parte 2: Fundio Prof. Dr. Guilherme Verran

Aula 04: Escoamento de Metais Lquidos-Canais de Enchimento

Sistemas de Canais1 2 4 3 5 6 7

1 . Bacia de Vazamento

2 . Descida

3 . Distribuio

4 . Reteno de Escria

5 . Ataque

6 . Ventilao

7 . Massalote



Componentes Bsicos de um Sistema de Canais de Enchimento

Bacia de Vazamento Canal de Descida

Pea P do Canal de Descida Canais de Distribuio Extenso do Canal de Distribuio Canais de Ataque

Molde com Apartao Horizontal



Noes de Mecnica dos Fludos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais 1. Turbulncia e Nmero de Reynolds Re = (v.d) / v = velocidade do fludo d = dimetro hidrulico do canal = viscosidade cinemtica do lquido =/cm2. 10-2 / s C.G.S.

= viscosidade dinmica (centipoise) = densidade do lquido (g/cm3)



Valores de Viscosidade Cinemtica para alguns LquidosLquido gua Alumnio F0F0 Cinzento F0F0 Branco Cobre Ferro Fe - 0,75%C Fe 3,4% C Chumbo Magnsio Mercrio Ligas Metlicas Viscosidade Cinemtica (cm2 . 10-2/s) 1,00 1,27 0,45 0,40 0,40 0,89 1,10 1,50 0,22 0,80 0,115 0,1/1,5 Temperatura (0C) 20 700 1300 1300 1200 1600 1500 1300 400 680 20 S = 500



Noes de Mecnica dos Fludos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais

Fluxo Laminar Re < 2000 Fluxo Turbulento 2000 Re 20000

Fluxo Severamente Turbulento Re 20000



Noes de Mecnica dos Fludos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Fluxo de Metal na maioria dos casos Reais em Fundio Critrio no Clculo de Canais de Enchimento Consequncia Prtica

Turbulento Manuteno de Re < 20.000

Para Re < 20.000 a turbulncia mais interna ao fluxo, com uma fina camada junto parede

Evita-se a quebra da camada de xido formada na superfcie do lquido e sua introduo no seio do lquido



Noes de Mecnica dos Fludos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais 2 . Lei da Continuidade Em um canal fechado completamente cheio, a vazo constante, independentemente de variaes locais da velocidade ou da rea transversal

Q = v1 . A1 = v2 . A2v1 e v2 = velocidades no pontos 1 e 2 (cm/s) A1 e A2 = reas da sees transversais nos pontos 1 e 2 (cm2) Q = vazo do lquido em todos os pontos do canal (cm3/s)



Noes de Mecnica dos Fludos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais 3 . Perdas de Carga Ocorrncia de perda por atrito decorrentes da interao entre as paredes dos canais e o lquido que possui certa viscosidade. Perdas localizadas devido s mudanas de direo e dimenses dos canais Perdas adicionais Em Fluxos Turbulentos devidos s caractersticas do fluxo Efeitos de atrito internos massa lquida

Em todo o Sistema Real



Noes de Mecnica dos Fludos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Situaes de Perda Localizada por Variao de Seo

Ocorrncia de Desligamento entre o fluxo e as paredes

Zonas com Desligamento de Fluxo Aparecimento de regies de baixa presso

Conseqncia Prtica: aspirao de ar e gases resultando em defeitos.



Aumento de seo

Reduo de seo Representao esquemtica mostrando a formao de reas de baixa presso devido a variaes abruptas na seo transversal de um conduto



Noes de Mecnica dos Fludos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Situaes de Perda Localizada por Mudana de Direo

Ocorrncia de Desligamento entre o fluxo e as paredes Aparecimento de regies de baixa presso Zonas com Desligamento de Fluxo Conseqncia Prtica: aspirao de ar e gases resultando em defeitos.



(a) Turbulncia devido a presena de canto vivo

(b) Aspirao de ar devido a presena de canto vivo

(c) Uso de arredondamentos minimizando a turbulncia e a aspirao de ar.

Esquema mostrando o fluxo de um fludo com mudana na direo do fluxo.



Noes de Mecnica dos Fludos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Considerando-se as perdas por atrito, o clculo da velocidade em algumas sees de rea A, no sistema fica: v = 2. g. h . 1/ ( 1 + Kn (A / An)2

Kn = coeficiente tabelado A = rea do ponto onde ser quer a velocidade An = reas de perda

= coeficienteglobal de perdas



Noes de Mecnica dos Fludos 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 Sem Concordncia Com Concordncia Coeficiente 0,75 0,20



Noes de Mecnica dos Fludos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Coeficientes de Perda sugeridos por Wallace e Evans Tipo de Perda Juno Descida/Distribuio Sem Concordncia Com Concordncia Sem Concordncia Com Concordncia Coeficiente 2,0 1,5 1,5 1,0



Noes de Mecnica dos Fludos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Coeficientes de Perda sugeridos por Wallace e Evans Tipo de Perda Coeficiente Juno em I Juno Distribuio/Ataque Sem Concordncia Com Concordncia 2,0 0,5 2,0



Noes de Mecnica dos Fludos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais Coeficientes de Perda sugeridos por Wallace e Evans Perdas por Frico Coeficiente Canais Redondos Canais Quadrados Canais Retangulares 0,02 L/D 0,06 L/Dh 0,07 L/Dh L = Comprimento D = Dimetro



Coeficientes Globais de Perda sugeridos por Wallace e Evans para Sistemas Despressurizados

Tipos de Sistemas01 Canal de Distribuio 02 Canais de Distribuio, com vrios ataques, sem mudana de direo no canal 02 Canais de Distribuio, com vrios ataques, mudanas de direo de 900 no canal

Canal de Canal de Descida Reto e Descida Afunilad Estrangulamento na Distribuio o 0,90 0,73 0,90 0,73

0,85

0,70



ELEMENTOS DOS SISTEMAS DE CANAIS Relaes de reas Sistemas Pressurizados A seo menor corresponde aos Ataques A seo menor corresponde ao Canal de Descida

Sistemas Despressurizados Idia Bsica

Aumentar ou diminuir a velocidade do fluxo a partir da diminuio ou aumento das reas



Relao de reas (Escalonamento) Indica a proporo de rea dos trs componentes bsicos do sistema rea Descida rea Descida

:

rea Distribuio rea Descida

:

rea Ataque rea Descida A2 < 1

1

:

A1

:

A2

Sistemas Pressurizados

Sistemas Despressurizados

A2 > 1



Vantagens dos Sistemas PressurizadosMaior Rendimento Metlico

Sistemas Mais Leves

Sistemas forado a trabalhar cheio

Favorece fluxo uniforme e separao de incluses de escrias e areias



Desvantagens dos Sistemas Pressurizados Perigo de eroso do molde Aumento da Velocidade do FluxoProvoca forte turbulncia na entrada do jato de metal na cavidade da pea.

Favorecimento oxidao e formao de drosses. Aspirao de gases e ar em mudanas de seo e de direo



Sistemas Despressurizados Indicados para ligas muito oxidveis Desvantagens dos Sistemas Despressurizados Possibilidade de aspirao de ar nos alargamentos de seo. Possibilidade de preenchimento incompleto dos canais. Menor Rendimento Metlico



Bacia de VazamentoVantagens da utilizao de bacias de vazamento:

Estabelece um fluxo mais regular, menos dependente do vazador. Favorece a reteno de incluses. Dificulta a entrada de ar junto com o fluxo de metal.



Seo longitudinal Ideal para uma Bacia de Vazamento



Idias Bsicas para o Projeto e Uso de Bacias. Fundo plano e seo retangular de modo a reduzir a agitao do metal vazado da panela e impedir a formao de vrtices (copos de vazamento cnicos) A altura na bacia deve ser mantida em nvel suficiente para evitar turbulncia e aspirao de ar. A entrada do canal de descida deve ser arredondada para evitar turbulncia e aspirao de ar



Canal de Descida V = 2.g.h . Velocidade adquirida por um fluxo de metal em um canal de descida.

h = distncia a partir do nvel do metal na bacia de vazamento

Quanto mais o fluxo desce, maior ser a sua velocidade, como a vazo ao longo do canal constante.

Necessidade de reduo progressiva na rea da seo transversal



Conicidade Ideal do Canal de Descida

Ah

h x

Ax =

(

h/x

) . An

Ax

Caso no se altere a rea da seo transversal, tem-se turbulncia e aspirao de ar



Depresso e aspirao de ar

(a)

(b)

(c)

Representao esquemtica mostrando, (a) Fluxo natural de um fludo livre, (b) Aspirao de ar induzida pelo fluxo de lquido em um conduto com paredes retas, (c) fluxo de lquido em um conduto cnico.



Recursos a serem utilizados quando no possvel reduzir a seo do canal de descida

Uso de macho estrangulador

Estreitamento no incio do canal de distribuio



Canal de Descida Seo Transversal Sistemas PressurizadosAs Ac . H/h

Sees quadradas ou retangulares so melhores do que sees circulares no sentido de evitar a formao de vrtices. h As Ac H

Ac = rea dos Ataques As = rea da Descida



Canais de Distribuio e Ataque Aspecto mais Importante Distribuio de Fluxo pelos diversos Ataques

Fatores que influem na Distribuio do Fluxo : Relao de reas (Aa) Posicionamento do Canal de Descida



4

Taxa de 3 Fluxo2

2,00 1,00 0,50

1

0,25

Relao de reas

0 A B C D



4

2,00

Taxa de 3 Fluxo2

1,00 0,50

1

0,25

Relao de reas

0

A

B

C

D



Posicionamento dos Ataques em Relao ao Canal de Distribuio

Localizao dos Ataques na Parte Inferior do Canal de Distribuio

Sistemas Pressurizados

Localizao dos Ataques na Parte Superior do Canal de Distribuio

Sistemas Despressurizados



Sistemas Verticais de Canais de Enchimento Sistema Simples M distribuio de Fluxo

Maior parte do metal passa pelo canal inferior.



Sistemas Verticais de Canais de Enchimento

Sistema com Angulo

Diminui a Energia Cintica



Sistemas Verticais de Canais de Enchimento Sistema com Canal de Distribuio Invertido

Equalizao do fluxo atravs dos canais de ataque



Sistemas Verticais de Canais de Enchimento

Ataque de baixo para cima, permitindo um preenchimento mais brando da cavidade da pea (com mnima turbulncia)



Dimensionamento do Sistema de Canais Todo o clculo de dimenses dos sistemas de canais baseiase nas equaes: VAZO = VOLUME TEMPO e VOLUME = MASSA R DENSIDADE

VAZO = VELOCIDADE X REA Portanto: REA = MASSA /(DENSIDADE X VELOCIDADE X TEMPO) (Equao 01)



Determinao do Tempo de Enchimento da Pea Wallace e Evans AFS Ferros Fundidos Cinzentos

t = Kf ( 1,4 + 0,7144 . e ) . t = tempo (s) e = espessura (cm) m = massa (g)

m x 10-3

(Equao 02)

Kf = F / 40

F = Fluidez (cm)

Tabelada em funo da composio e do grau de superaquecimento

Obs. : para peas acima de 450 Kg recomenda-se substituir 3 m x 10-3 na equao 2. m x 10-3 por



Determinao da Velocidade Conforme visto anteriormente: Como a altura efetiva em cada momento do preenchimento diferente, pois o v = 2.g.h . lquido acima do plano de distribuio e ataque exerce uma contrapresso, usa-se a velocidade mdia a partir do nvel do ataque:

Vm =

2.g 2

. ( 1+

1 ho / h1)

.

h1

(Equao 03)

h1 = altura total disponvel no sistema

h0 = altura da pea acima do nvel do ataque



h0 = 0500 400 300

h1

h0

h1 ho0 0,2 h1 0,4 h1 0,6 h1 0,8 h1

h0

h1

Velocidade de enchimento (cm/s)

200 100

0 0

Velocidade da menor seo do sistema em funo da altura disponvel (h1) e da altura da pea acima do nvel dos ataques (h0)

200

400

600

800

Altura de vazamento (mm)



Mtodo da Seo de Choque

Elementos que precisam ser discriminados:1- altura do canal de entrada (ou de descida) H (cm) 2- altura da pea C (cm) 3- altura da pea acima da seo de choque B (cm) 4- peso da pea+massalotes P (Kg)

- Inicialmente determina-se a altura efetiva (Hef) Hef = H - b2/ 2c - Calcula-se ento a Sc (seo de choque)

P = Peso de todo o sistema a ser enchido (pea+masalotes) Hef = altura efetiva K = constante do material ( cm5/2 / Kg1/2)Ferro Fundido 4,86 Aos 10,6 Bronzes 5,34 Alumnio 8,25

Sc =K

P H ef

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