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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Julio Julinho Marcondes de Moura”

TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

FELIPE GARCIA

VICTOR ALEXANDRE DODÔ DA SILVA

FORNO DE FUNDIÇÃO COM TROCADOR DE CALOR

GARÇA- SP

2018

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Faculdade de Tecnologia de Garça “Deputado Julio Julinho Marcondes de Moura”

TECNOLOGIA EM MECATRÔNICA INDUSTRIAL

FELIPE GARCIA

VICTOR ALEXANDRE DODÔ DA SILVA

FORNO DE FUNDIÇÃO COM TROCADOR DE CALOR

Artigo Científico apresentado à Faculdade de Tecnologia de Garça - Fatec, como requisito para conclusão do curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, examinado pela seguinte comissão de professores. Data da Aprovação: ____/____/____

________________________________ Prof. Dr. José Arnaldo Duarte

FATEC Garça

________________________________ Prof. Dr. José Antônio Poletto Filho

FATEC Garça

________________________________ Prof. Espec. Adalberto Sanches Munaro

FATEC Garça

GARÇA- SP 2018

DEDICATÓRIA

Tenho como objetivo tentar resgatar a técnica de fundição de meu avô

paterno, que trabalhava com fundição de ouro e prata na confecção de pratos e

talheres .

FORNO DE FUNDIÇÃO COM TROCADOR DE CALOR

Felipe Garcia¹ Felipe.Garcia_98@hotmail.com Victor Alexandre Dodô da Silva Dodosilva1978@hotmail.com

Prof. Dr. José Arnaldo Duarte² josearnaldoduarte@hotmail.com

RESUMO – Esse trabalho foi desenvolvido no Curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial. Foi elaborado para projetos de construção de mini forno industrial, de custo reduzido, para fundição de metais, podendo ser utilizado por pequenas empresas que não têm acesso aos fornos oferecidos pelo mercado em função do alto custo. O objetivo deste trabalho é desenvolver um sistema de baixo custo e de alta eficiência, para automação de forno de fundição visando melhorar a produção de peças e produtos fundidos de uma empresa, aumentando a produção, reduzindo tempo e diminuindo custos. Além do custo reduzido esse projeto traz como diferencial a utilização de um trocador de calor que permite atingir temperaturas mais elevada com redução do consumo de combustível. Palavras-chave: Forno de Fundição. Monitorado. Trocador de Calor. Termostato.

ABSTRACT - This work was developed in the Technology Course in Industrial Mechatronics. It was developed for the construction of mini industrial furnaces, of reduced cost, for metal casting, and can be used by small companies that do not have access to the furnaces offered by the market due to the high cost. The objective of this work is to develop a low cost and high efficiency system for the automation of a smelting furnace in order to improve the production of a company's castings and products, increasing production, reducing time and reducing costs. In addition to the reduced cost this project brings as a differential the use of a heat exchanger that allows to reach higher temperatures with reduced fuel consumption. Keywords: Casting Oven. Monitored. Heat exchanger. thermostat.

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1 Alunos do curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial FATEC - Garça ² Docente da FATEC – Garça

3

1. INTRODUÇÃO

O tema escolhido para a elaboração do projeto de pesquisa encontra–se no

contexto do curso de Tecnologia em Mecatrônica Industrial, fazendo o uso da

eletrônica, programação, mecânica e eletrica.

O trabalho de pesquisa está fundamentado teoricamente nos referenciais

disponíveis, de forma eletrônica e física, de pesquisadores atuais e referendados

pela comunidade científica, os quais contribuem para ancorar as questões

discutidas.

Conforme Rosário (2005, p.11), o ponto importante do conceito e da filosofia

da mecatrônica é a combinação da mecânica, da eletrônica e da computação, com

objetivo de obter no produto características como, flexibilidade e inteligência e, no

projeto, sistemas mecânicos mais simples, com custos reduzidos e facilidade para

introduzir modificações.

Os projetos relacionados à produção de forno de fundição industrial, muitos

ainda não têm modelo esquemático com muitos detalhes, o que demanda tecnologia

para a construção de um mini forno, e também os cuidados com o uso do (GLP) gás

liquefeito de petróleo utilizado, o qual poderá causar acidentes.

Segundo UFSC (2016), “A mecatrônica é a união da Engenharia Mecânica,

Eletrônica, Computação e Controle, ou seja, é uma máquina ou sistema que possui

partes mecânicas, partes elétricas e sensores que captam informações e as

repassam para as partes mecânicas capazes de nos fornecer produtos, sistemas e

processos melhorados”.

O artigo tem como objetivo mostrar uma das aplicações da mecatrônica

realizada na prática através de um desenvolvimento de um protótipo de um forno de

fundição com trocador de calor.

4

1.2 Justificativa

O processo de fundição, apesar de ser um dos mais antigos processos de

fabricação do mundo, ainda é de grande importância na área de engenharia e

metalurgia, oferecendo diversas vantagens e objetivos, como por exemplo:

O forno de fundição foi desenvolvido utilizando cilindro de gás freon, massa refratária

que suporta 1200°C, tubos de 0,0508 metros, foi utilizado cantoneiras 0,03 metros

por 0,03 metros, parafuso e porca de 0,006 metros.

As peças fundidas são de menores custos do que as forjadas ou obtidos por meio de

solda, desde que a produção tenha um limite mínimo que compense o investimento

no modelo necessário para a execução de um molde para fundição,

Figura 1- Desenho esquemático do forno de fundição

Fonte: Ciências e Engenharia dos Materiais

1.3 Específicos

Foi utilizado um casco de gás freon, esta construido com massa refratária

que suporta até 1400 °C, um cadinho que supera a temperatura de 1200°C, uma

pinça para cadinho, foi utilizado gicle n°03, 01 botijão de 03 quilogramas, 02

registros de controle de vazão de GLP, uma manguira de alta pressão de 04

metros de comprimento, tubos de aço inox de 0,0508 metros e as expessuras

5

das paredes 0,0003 metros, foi utilizado uma ventuinha de tensão 127 volts, um

dimmer regulador de tensão, um registro de controle de vazão de ar, acendedor

elétrico com tensão 127 volts, 01 trocador de calor de 0,1016 metros, tinta batida

de pedra, 01 arduino uno, 01 termopar tipo k max 6675 , 01 notebook;

Temperatura interna do forno podendo alcançar até 1100°C;

Parede interna do forno de 0,0508 metros;

Reduzir o custo usando materiais de baixo custo;

Reciclar as latas de alumínio como metal utilizado para fundição;

Confeccionar moldes para produção de variadas peças;

Produzir peças a partir da fundição de latas de alumínio;

Verificar a viabilidade ambiental da reutilização das latas de alumínio para fundição;

Verificar a viabilidade econômicos da reutilização de latas de alumínio;

Desenvolver o forno de fundição ao nível de uso indústrial, com baixo custo

também utilizando normas e equipamentos de segurança.

1.4 Relevância

Este trabalho é muito relevante, pois o mini forno caseiro atual tem uma

demora em atingir alta temperatura com isso o gasto de GLP, custo e mão de

obra demora na produção final do alumínio a ser fundido, aumentando o custo do

produto final. Para resolver este problema foi desenvolvido um forno com

trocador de calor.

2. Metodologia

Foi consultado o orientador, que auxiliou o grupo na busca de fontes de

livros, sites e vídeos, a fim de obter um referencial teórico suficiente. Um cronograma

foi estabelecido, no qual definimos o calendário de reuniões e metas que cada

integrante deveria cumprir. Esse cronograma era essencial, porque além de garantir

6

um equilíbrio de tarefas, também estabeleceu prazos para que a equipe cumprisse

as metas. Planejamos como construir o kit, no qual foram feitos desenhos

esquemáticos para a melhor montagem a partir das fontes pesquisadas. Na última

etapa foi a construção do projeto.

2.1 Maçarico Atmosférico

Figura 2 – Maçarico Atmosférico

Fonte: Os próprios autores.

Maçarico Atmosférico uma das principais características do queimador

atmosférico está no aumento da potência de combustão do GLP, com a ajuda da

ventoinha tendo um melhor rendimento, feito com material aço inox, utiliza uma

mangueira de 05 metros e de alta pressão, o dimensionamento do tubo de aço inox

é de 1,3 metros de comprimento, com diâmetro de 0,03810000 metros, com

espessura das paredes de 0,002 metros, utilizado um gicle com rosca de

0,0003175000 metros e com 5 saída do gás GLP de 0,001 metros

.

7

2.2 Suporte

Figura 3 - Suporte

Fonte: Os próprios autores.

Esse suporte é utilizado para sustentação da estrutura do maçarico

atmosférico, feito com ferro doce, com espessura de 0,003 metros, a altura da

estrutura medindo 0,2 metros..

2.3 Ventoinha

Figura 4 - Ventoinha

Fonte: Os próprios autores.

8

A ventoinha tem a função de captar e levar o oxigênio até o forno de fundição,

com a saída de ar de 0,04445 metros, trabalha com velocidade de 3500 rpm e com a

tensão de 127 volts.

2.4 Dimmer

Figura 5 - Dimmer

Fonte: os próprios autores.

O dimmer utilizado para variar a intensidade da corrente, com isso

controlando a velocidade da ventoinha, contém também um interruptor de

liga/desliga, a tensão utilizada é de 127 volts.

9

2.5 Suporte de gesso

Figura 6 – Suporte de gesso

Fonte: os próprios autores.

O suporte do cadinho utilizado, tem a função de proteção de possíveis

danos ao cadinho, o material é sulfato de cálcio que suporta uma temperatura de

1460°C.

10

2.6 Molde de latão

Figura 7 – Molde de latão

Fonte: os próprios autores.

Molde em latão tem fresado uma flor, suporta a temperatura de fusão de

900°C a 950°C, é mais indicado para retirada de modelos em chumbo e estanho,

que a fusão desses dois componentes variam de 331.9°C à 327.5°C.

2.7 Areia verde

Figura 8 – Areia verde

Fonte: Voltolini

Processo genericamente utilizado, em que o material de moldação consiste

na mistura de uma areia de Sílica com uma argila, sendo que este último assume a

11

função de aglomerante. Faz-se o enchimento da caixa de moldação com a mistura e

calca-se bem.

O processo de colocar metal líquido em um molde, que contém uma cavidade

com a forma desejada, e depois permitir que resfrie e solidifique. Ele é ainda dividido

pelo material do molde, tais como areia ou metal, e método de vazamento, tais como

por gravidade, a vácuo ou a baixa pressão.

2.8 Arduino Uno

De acordo com a fabricante, o Arduino Uno possui um microcontrolador que

disponibiliza 14 portas digitais de entrada / saída, portas onde 6 podem ser usados

como saídas PWM (Pulse Width Modulation), parte que possibilita a entrada de

informação por meio da ativação de um sensor ou através do acionamento manual

de um botão. Possui 6 entradas analógicas, uma conexão USB, um conector de

alimentação, e um botão de reset. Nesta placa estão integrados todos os

componentes para suportar o microcontrolador, basta conectá-la a um computador

com um cabo USB ou bateria.

De acordo com a fabricante do Arduino Uno, a placa pode ser alimentada

através de uma fonte externa ou de uma conexão USB. A fonte de alimentação é

selecionada automaticamente. Externa pode vir com um adaptador AC para DC

bateria. O adaptador pode ser conectado por um plug 0,002100000 metros de

centro-positivo na placa de tomada de energia. A placa pode operar com uma fonte

externa de 6 a 20 volts. Se for fornecido, com menos de 7V, então, o pino de 5V

pode fornecer menos de cinco volts e a placa pode se tornar instável. Se usar mais

do que 12V, o regulador de voltagem pode danificar a placa. O recomendado é de 7

a 12 volts. Cada um dos 14 pinos digitais do Uno pode ser usado como uma entrada

ou saída, usando pinMode () , digitalWrite () , edigitalRead () funções. Eles operam a

5 volts. Cada pino pode fornecer ou receber um máximo de 40 mA e tem um resistor

pull-up interno.

12

Figura 9 - Placa Arduino uno.

Fonte: BOTELHO

1 - Conector USB para o cabo tipo AB 2 - Botão de reset 3 - Pinos de entrada e saída digital e PWM 4 - LED verde de placa ligada 5 - LED laranja conectado ao pin13 6 - ATmega encarregado da comunicação com o computador 7 - LED TX (transmissor) e RX (receptor) da comunicação serial 8 - Porta ICSP para programação serial 9 - Microcontrolador ATmega 328, cérebro do Arduino 10 - Cristal de quartzo 16Mhz 11 - Regulador de voltagem 12- Conector fêmea 0,002100000 metros com centro positivo 13- Pinos de voltagem e terra 14- Entradas analógicas

13

2.9 Termopar tipo k com módulo Max 6675

Figura 10 - Termopar tipo k com módulo Max 6675

Fonte: Mercado livre

O termopar tipo k é utilizado para fazer a leitura da temperatura, faz a

capitação da temperatura de forma analógica e converte para sinais digitais com o

auxilio do módulo max 6675 , o sensor do termopar trabalha de 0°C à 1000°C, o

sensor é de material alumel e cromel.

2.10 Programação utilizada

#include "max6675.h" int thermoDO = 4; int thermoCS = 5; int thermoCLK = 6; MAX6675 thermocouple(thermoCLK, thermoCS, thermoDO); int vccPin = 3; int gndPin = 2; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(vccPin, OUTPUT); digitalWrite(vccPin, HIGH); pinMode(gndPin, OUTPUT); digitalWrite(gndPin, LOW); Serial.println("MAX6675 test"); delay(500); } void loop() { Serial.print("C = "); Serial.println(thermocouple.readCelsius()); Serial.print("F = "); Serial.println(thermocouple.readFahrenheit()); delay(1000);

14

}

2.11 Software Plotter

Plotter é um software que é feito download através do suporte arduino

proporciona desenhos gráficos com qualidade e rigor, que pode ser visto a

temperatura em Farad e Cesius e para outros tipos de projetos da engenharia.

Para determinar a variação de temperatura com relação ao tempo, as

medições serão feitas em diferentes pontos do forno usando um sensor de

temperatura a com faixa de medição de -23 ° C e 850 ° C. Esta sendo utilizado o

software Plotter para o monitoramento da temperatura do forno.

Figura 11 – Gráfico Plotter

Fonte: os próprios autores.

2.12 Teste para a verificação de vazamento de gás GLP

Para garantir a segurança aos operadores, antes de utilizar o gás GLP como

combustível para o forno de fundição, deve-se verificar se há escapamento de gás.

Primeiro, foi analisado se o adaptador P13 estava adequadamente ajustado ao

botijão. Após essa verificação, para garantir que não haja vazamento de gás, foi

15

realizado um teste utilizando uma mistura de água, sabão e uma esponja umedecida

na conexão da válvula de registro do botijão, onde é possível observar que a bolhas

de ar na espuma não se formam, indicando que não há vazamentos de gás.

2.13 Posicionamento da chama

Para a uniformidade da chama dentro do forno, é essencial que a tocha do

maçarico a gás esteja posicionada de modo correto. Esse posicionamento refere-se

a inclinação quanto a distância da mesma em relação ao centro do forno e ao

ângulo , porque se colocada direcionada em linha reta, em relação ao centro do

forno pode ocasionar má circulação da chama causando danos ao processo.

Figura 12 - Modo incorreto de posicionar o maçarico

Fonte: os próprios autores.

O atraso da fusão do metal é um dos danos que pode ocorrer, quando

comparado ao processo com a chama uniforme, pois a temperatura estará

distribuída igualmente no interior do forno com a chama circulando de forma

uniforme. Pode também ocorrer outro problema que é a abertura de um furo no

cadinho durante o processo de fusão do alumínio, vazando todo material e

provocando sua perda. Devido ao posicionamento incorreto da tocha do maçarico a

qual ficou em contato direto com o cadinho isso pode ocorrer.

16

Figura 13 - Abertura de um orifício no cadinho ocasionando o vazamento do metal

Para consertar o erro cometido, a tocha foi inclinada em aproximadamente

20°, para que a assim a chama não permanecesse em um único ponto, mas

circulasse de forma igualitária.

Figura 14 - Modo correto de posicionar o maçarico

17

2.14 Termostato

Figura 15 - Termostato

Fonte: os próprios autores.

Termostato tem a função de fechar contato quando colocado a uma

temperatura acima de 92 °C ,o material feito com em latão ,com rosca 0,0200000

metros X 0,0015000000 metros ,conteúdo interno que aciona contato é de aço

específico para o produto.

2.15 Lei de Fourir

Figura 16 – lei de Fourier

Fonte: Toda matéria

18

Sua fórmula é:

onde, Q: quantidade de calor Δt: variação do tempo K: coeficiente de condutibilidade térmica do material A: área da superfície Δθ: variação da temperatura L: espessura do matéria Foi utilizado para medir a difusão térmica de propagação de calor, no uso do termostato se bem calibrado pode se alertar a temperatura desejada.

2.16 Sirene

Figura 17 - Sirene

Fonte: os próprios autores.

A sirene tem a função de acionar quando o termostato ter sido fechado

contato, pois para isso é necessário calibrar o termostato para a temperatura

desejada, fazendo que o usuário seja alertado do ponto de fusão do metal, a sirene

trabalha com pulso contínuo.

19

2.17 Fonte de alimentação

Figura 18 – Fonte de alimentação

Fonte: os próprios autores.

É uma fonte de alimentação da marca Ibratele utilizado para alimentação da

sirene, e faz ligação também com o termostato, possui tensão de entrada 127 volts e

tensão de saída 12 volts de corrente contínua.

20

2.18 Acendedor de forno de fundição

Figura 19 - Acendedor automático

Fonte: os próprios autores.

Foi utilizado para montagem do acendedor forno de fundição um acendedor

de fogão a gás Continental , uma estrutura de enceradeira elétrica e copo plástico

0,15 litros .

2.19 Cadinho

Figura 20 - Cadinho

21

Fonte: os próprios autores.

Esse cadinho é de um aço indicado para temperatura até 1200°C com diâmetro

interno de 0,127 metros e 0,15 metros de altura, mais indicado para trabalho em

trabalho de fundição de alumínio.

2.20 Pinça tenaz

Figura 21 – Pinça tenaz

Fonte: os próprios autores.

Para melhor manuseio do cadinho se usa esse modelo de pinça evitando

descargas de ar quente, pode ser manuseado usando o cadinho vazio ou com

material.

22

2.21 Forno de fundição

Figura 22 - Forno de fundição com trocador de calor

Fonte: os próprios autores.

Tabela 1- Parede interna do forno sem trocador de calor

Parede interna do forno sem trocador de calor

Tempo (min) Temperatura (°C)

0 28°C

3 300°C

6 465°C

9 588°C

12 670°C

Fonte: os próprios autores.

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Tabela 2 - Parede interna do forno com trocador de calor

Parede interna do forno com trocador de calor

Tempo (min) Temperatura (°C)

0 28°C

3 380°C

6 536°C

9 680°C

12 737°C

Fonte: os próprios autores.

2.22 Termômetro termopar tipo k

Figura 23 – Termômetro termopar tipo k

Fonte: Planetsensor.com.br

O equipamento mais adequado para o uso de forno de fundição com trocador

de calor seria o termômetro termopar tipo k, na figura acima, mas para mostrar a

24

base em eletrônica e programação utilizamos o arduino uno e um modulo termopar

tipo k e um notebook.

.2.23 Variação de temperatura em pontos distintos do forno

Para determinar a variação de temperatura com relação ao tempo, as

medições serão feitas em diferentes pontos do forno usando um sensor de

temperatura a com faixa de medição de -23 ° C e 850 ° C.

3 Resultados e discussões

O forno de fundição obteve a temperatura conforme o foi predefinido, com

sucesso, mas temos como objetivos futuro aperfeiçoa-lo ainda mais.

4 Relação de custos:

1 Cilindro de freon R$ 15,00

2 Massa refratária R$ 20,00

3 Eletrodo de ferro 2.5 R$ 43,00

4 Eletrodo de aço inox 2.5 R$ 8,00

5 Tubo de aço inox R$ 60,00

6 Ventoinha de 127 volts R$ 50,00

7 Registro de 0,0254 metros R$ 35,00

8 02 Conector de registro de 0,0254 metros R$ 13,00

9 Veda rosca R$ 5,00

10 Abraçadeira de mangueira de 0,01905000

metros

R$ 2,00

11 Mangueira de alta pressão R$ 12,00

12 02 Registro torneira para gás GLP R$ 25,00

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13 Botijão de gás GLP R$ 80,00

14 Tubo de ferro de 0,0762 metros R$ 20,00

15 Arduino UNO R$ 42,00

16 Case R$ 12,00

17 Conectores para arduino UNO R$ 2,50

18 Termopar tipo k Max 6675 R$ 40,00

19 Esfera e cone de isopor R$ 2,00

20 Gás GLP R$ 65,00

21 Papel impresso R$ 35,00

21 Papel impresso R$ 35,00

22 Sulfato de cálcio R$ 4,00

23 Dimmer R$ 10,00

24 Molde em latão R$ 5,00

25 Chumbo R$ 20,00

26 Termostato R$ 10,00

27 Sirene R$ 5,00

28 Fonte de alimentação R$ 5,00

29 Total R$ 680,50

26

5 CONSIDERAÇÕES FINAIS

A fundição é um tema de suma relevância para o desenvolvimento da indústria

moderna. O processo de fundição vem se atualizando conforme a necessidade de

consumo.

O desafio que virá é a redução de custo para que isto continue sendo viável

para novas tecnologias.

Consideramos que para finalizar o projeto devemos tentar resgatar a técnica

de fundição de meu avô que trabalhava no mesmo setor, fundia ouro e prata na

confecção de pratos e talheres .

Foi construido um mini forno de fundição industrial e não ocorreu trincas ou

rachaduras na parede do forno, pois foi utilizado massa refratária. Com o trocador de

calor poderemos alcaçar 1000 °C.

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REFERÊNCIAS

BOTELHO, Vitor. Introdução à fundição. São Paulo,2011. Disponível em:< https://literaturamecanica.wordpress.com/2011/07/22/introducao-a-fundicao/>. Acesso em: 08 set. 2017.

______. Objetivo da fundição. São Paulo,2011. Disponível em: < https://literaturamecanica.wordpress.com/2011/07/24/objetivo-da-fundicao/>. Acesso em: 08 set. 2017.

BRAGHETTO, Antônio. et al. Processos de fabricação. v.1. São Paulo: Globo, 2000. BRASIL.ABNT –NR6:Equipamentos de Proteção Individual.

Condução térmica. São Paulo,2018 . Disponivel em< https://www.todamateria.com.br/conducao-termica/>. Acesso em 08 dez. 2018

ROSÁRIO, João Maurício. Introdução à Mecatrônica. São Paulo: Prentice Hall,

2005..

SOARES, Gloria. Fundição: Mercado, Processos e Metodologia. 2000. Disponível em: <http://www.metalmat.ufrj.br/wp content/uploads/2012/05/Fundi%C3%A7%C3%A3o-mercado-processos emetalurgia.pdf>. Acesso em: 19 de Jan. 2018. Termopar tipo k com módulo Max 6675. São Paulo,2018 .Disponivel em<https://produto.mercadolivre.com.br/MLB-735436962-modulo-leitor-temperatura-max6675-termopar-tipo-k-arduino-_JM>. Acesso em 05 nov.2018 VOLTOLINI, Danielle. Fundição Por Areia Verde. Curitiba. UFPR,2010.30p. UFSC. Contextualização. Joinville, 2016. Disponível em:

<http://mecatronica.ufsc.br/contextualização/>. Acesso em: 26 set. 2016.