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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.
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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)
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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
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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.
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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
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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.
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(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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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Seo longitudinal Ideal para uma Bacia de Vazamento
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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4
Taxa de 3 Fluxo2
2,00 1,00 0,50
1
0,25
Relao de reas
0 A B C D
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4
2,00
Taxa de 3 Fluxo2
1,00 0,50
1
0,25
Relao de reas
0
A
B
C
D
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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
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Sistemas Verticais de Canais de Enchimento Sistema Simples M distribuio 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 Cintica
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Sistemas Verticais de Canais de Enchimento Sistema com Canal de Distribuio Invertido
Equalizao do fluxo atravs 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 pea (com mnima turbulncia)
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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)
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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
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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
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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)
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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