ADEQUAÇÃO DE EQUIPAMENTO PARA PRODUÇÃO DE ESPUMA DE ALUMÍNIO VIA LÍQUIDO

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1 ADEQUAÇÃO DE EQUIPAMENTO PARA PRODUÇÃO DE ESPUMA DE ALUMÍNIO VIA LÍQUIDO FILHO, M.O.¹*; JUNIOR, A.C.S¹; NAKAZATO, A.Z.²; ASSIS, W.L.S.²; FERRANDINI, P.L.¹ 1 - Departamento de Materiais e Tecnologia - Universidad Estadual Paulista - Unesp 2 - Escola de Engenharia de Volta Redonda Universidade Federal Fluminense UFF * Rua Sebastião Jose Rodrigues, Nº 35, Apto 1104, Campos Eliseos, Resende RJ, CEP , mauriciooliveirafilho@hotmail.com. RESUMO Espumas de alumínio apresentam ótima combinação de propriedades, que as tornam ótima opção para aplicações onde se exige baixa densidade, tenacidade, isolação térmica e acústica. Embora tais características, esse material ainda é pouco utilizado industrialmente. Para produzir este material, com um processo similar ao Alporas, um forno vertical foi adaptado, recebendo um sistema mecânico de agitação do líquido e novo sistema de controle de temperatura, podendo trabalhar sob temperaturas próximas a 700ºC e várias velocidades de rotação do agitador. Foram produzidas amostras utilizando CaCO3 como agente espumante e alumínio comercialmente puro. As variáveis temperatura de processamento, tempo de mistura, quantidade de alumínio e tempo de expansão foram estudadas e o sistema mostrou-se confiável. Os resultados obtidos foram quantificados pela morfologia de poros e também pela eficiência do processo. Para as condições analisadas, a melhor temperatura de processamento foi 750 C, tempo de mistura 180 segundos e tempo de expansão 300 segundos. Palavras-chaves: Espumas metálicas, CaCO3, Forno vertical, Alporas. 7627

2 INTRODUÇÃO As espumas de alumínio são materiais que combinam propriedades típicas dos materiais celulares com a dos metais (1). Estes materiais começaram a ter um grande interesse de diferentes setores da indústria, visto que tem combinações únicas: baixa densidade, boa absorção de impacto, bom isolamento térmico, bom isolamento acústico, bom redutor de vibração, não são inflamáveis e são recicláveis (2,3). Existem atualmente várias técnicas para a produção de espumas de alumínio. No entanto, espumas produzidas pelo processo Alporas são as que tem alta produtividade, processo mais barato de fabricação, melhor homogeneidade do material produzido e com a patente expirada (3,4). Logo é um método de produção muito interessante, visto que duas principais razões que dificultam a utilização das espumas na indústria, são a dificuldade do controle de processo e o alto custo de produção (5). O processo Alporas é normalmente dividido em 5 etapas de fabricação: aquecimento do metal até sua fusão; adição de Ca como agente estabilizador; adição de como agente espumante; tempo de expansão e resfriamento do material produzido (6). No entanto, durante o processo de confecção das espumas, o material sofre algumas influências como o efeito da gravidade, coalescência de poros e a perda de gás na adição do agente espumante ao metal líquido (7,8,9). Uma forma de observar o efeito de drenagem (efeito gravitacional) é a relação da zona livre de bolhas e a região espumada, deste efeito é possível obter o rendimento do processo, já que quanto menor a zona livre de bolhas maior será o rendimento do processo (10,11). Sendo que, uma das maneiras de reduzir o efeito gravitacional durante o processo é a utilização de partículas estabilizadoras e/ou a utilização de agente espumantes com maior dissociação de gás (12). Já a coalescência de poros tem forte influência da tensão superficial da parede das bolhas (13). Esta pode ser provocada pelo alongamento, de duas bolhas vizinhas, durante a inflação das bolhas e/ou dobras, rugas e fissuras originadas durante o fluxo turbulento entre a camada de óxido e metal fundido, e das diferenças de expansão térmicas entre a película de óxido e a liga fundida (14). Este efeito é reduzido com a adição de agentes estabilizadores e com a formação de óxidos na parede dos poros. Pois esses aumentam a tensão superficial dessas paredes (semi-líquida) e formam uma película que dificulta esse rompimento. No processo de fabricação, o 7628

3 carbonato de cálcio dissocia,, quando submetido a aquecimento, e esse gás auxilia na formação de óxidos nas paredes dos poros. Portanto, com a utilização desse material, é possível reduzir um insumo (agente estabilizador), uma etapa do processo, custo do material, pois como é um material de baixo custo (comparado ao e é facilmente encontrado (15). Tornando assim, este um dos possíveis candidatos para utilização no processo de fabricação de espumas. Como estes materiais começam a ter um grande interesse por alguns ramos da indústria, é interessante o Brasil conhecer o processo e entender suas variáveis, visto que a indústria brasileira ainda não produz espumas de alumínio, via rota líquida, e portanto ainda não tiram proveito desse nicho de mercado. Com isso, esse trabalho buscou adaptar um equipamento para produzir e estudar espumas de alumínio via rota líquida, sendo que esse aparelho deve suportar todas as solicitações e a dinâmica de processo. Posteriormente analisando a estrutura da espuma produzida, encontrar os melhores parâmetros para a produção da mesma. MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Para a obtenção deste material, foi modernizado um forno vertical, conforme Figura 1, que suportasse e tivesse toda a dinâmica necessária para realizar o processo. Para o sistema de mistura, foi utilizado um inversor de frequência para controle da rotação do motor, um motor bifásico, sistema com dois mancais rolamentados, dois pinhões, corrente, eixo inox 304 e com um eixo intercambiável com pás para mistura. Para o isolamento térmico do forno, foi utilizado manta térmica kaowool Bk, tanto na parte superior (região de acesso do eixo), como na parte inferior (suporte para fixação do cadinho). Para o controle de temperatura, foi utilizado um controlador CPTM45 e um termopar localizado a 149 mm da base do suporte do cadinho. 7629

4 s Figura 1- Forno vertical modernizado. Já a liga utilizada, foi analisada via espectrômetro de emissão óptica, cujo os elementos podem ser observados na Tabela 1. Tabela 1 Elementos da liga de alumínio. Elemento Al Si Fe Mn Mg Ti Concentração média 97% 1,27% 0,22% 0,54% 0,87% 0,03% O agente espumante, utilizado foi o em pó, onde este foi analisado por difração de raios X, com 2Ɵ=10 a 90, 25mA, 40 KV, fenda de 0,6 mm e com passo de 0,02, e por análise termogravimétrica, cuja a análise obtida foi feita com uma taxa de aquecimento de 3,5ºC / minuto e com uma análise até 1000ºC. Métodos Para a obtenção das espumas, foi utilizado as seguintes etapas: forno mufla para fusão do alumínio; este alumínio, após e retirada da escória e da estabilização da temperatura, é vertido em um cadinho contendo carbonato de cálcio; o cadinho é depositado em um suporte na base inferior do forno, este suporte então é erguido até a posição de trabalho dentro do forno; após a colocação do material, é acionado o motor para homogeneização do material; 7630

5 após o tempo de mistura, o sistema do rotor com pás e motor, é erguido; posteriormente o material é deixado no forno por tempos determinados de expansão; para assim ser retirado do forno e resfriado ao ar tranquilo. Os parâmetros de processo variados foram: tempo de mistura (60 e 180 segundos), massa de alumínio fundido (aproximadamente de 200 e 400 gramas), temperatura do forno de fusão (700, 750 e 850ºC) e tempo de expansão (300, 600 e 900 segundos). Sendo que para todos os experimentos, foi utilizado 3,5 % em massa de a 1000 rpm de rotação do misturador. Posteriormente foram observados o tamanho de poros e a relação das alturas entre zona livre de bolhas e zona espumada, conforme pode ser observado pela equação (1). 1) Onde, H é a altura da espuma e é a altura da zona livre de bolhas. RESULTADOS E DISCUSSÃO Para o sistema de mistura, como o motor tem a temperatura ótima de trabalho de 40ºC e como a elevação de temperatura pode degradar o isolamento das espiras, foi proposto deslocar o motor em relação ao ponto de acesso do forno, conforme Figura 2, auxiliando assim sua proteção, pois mesmo com o forno a 850ºC, durante o processo, o motor ficou a temperaturas próximas as de trabalho. Já utilização dos mancais com rolamento, auxiliou a dar estabilidade ao eixo, mesmo em altas rotações. A utilização do eixo intercambiável, não afetou a estabilidade do conjunto e ajudou na troca das pás da hélice quando estas se desgastaram durante o processo. 7631

6 Figura 2- Sistema de mistura do forno vertical. A utilização da manta kaowool Bk, não só auxiliou na estabilidade térmica do forno, mas também na proteção de todo o sistema de mistura. Visto que reduziu a perda de calor promovida pela convecção natural do forno. Já o comportamento termogravimétrico e a da difração raios x do podem ser observados na Figura 3, sendo que em Figura 3 (a) é possível observar a perda de massa do carbonato de cálcio e que a 850ºC (máxima temperatura de derramamento do alumínio), o material perde por volta de 17,78% em massa. Já para a análise de raios-x, conforme Figura 3 (b) foi observado um pico secundário, não característico para o raios-x do. Demonstrando ser alguma impureza no material. Figura 3 (a) análise termogravimétrica da massa e de sua derivada, (b) análise de raios-x. 7632

7 Para a otimização dos melhores parâmetros de processo para esse equipamento, foram produzidas oito amostras conforme a Tabela 2, onde a única constante foram a concentração de e a rotação do misturador. Tabela 2 Parâmetros do processo de fabricação de espuma via rota líquida. Amostra Massa Al (g) Porcentagem em massa de Temperatura do forno de fusão (C ) Temperatura do forno de mistura (C ) Rotação do eixo (rpm) Tempo de rotação (s) Tempo de expansão (s) 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 405, , , , , , , ,90 2 3, , , , , , , , Já a Tabela 3, é possível observar as amostras produzidas e seus respectivos rendimentos. Sendo que as amostras 1A, 2A, 3A e 4A é possível observar uma perda excessiva de gás para o meio, já que quando o material é vazado no cadinho com, o metal líquido está a uma temperatura muito elevada, promovendo uma rápida dissociação. Também é possível observar a formação de poros grande e da coalescência de poros. Já que com temperatura mais elevadas, ou um aglomerado ( gerou o poro de tamanho mais elevado ou ocorreu a coalescência. Já com a amostra 5A é possível observar uma redução no tamanho de poros, principalmente a não formação de poros grandes. No entanto, todas as amostras 1A, 2A, 3A, 4A e 5A tiveram baixo rendimento. Portanto, foi adotado uma redução de aproximadamente 50% do volume de alumínio usado, para que assim 7633

8 aumentasse a influência da hélice de mistura durante o processo. Com isso, é possível notar, a partir da amostra 6A, um aumento no rendimento. Portanto para a amostra 7A, foi adotado a redução da temperatura do forno de fusão, e isso acarretou a um aumento no rendimento do processo. Já a amostra 8A foi reduzido o tempo de expansão. Com isso o alumínio líquido tem menos tempo de escoar por entre as paredes dos poros, logo aumentando o rendimento do produto final. Tabela 3 Amostra produzidas via forno modernizado. Amostra 1A Amostra 2A Amostra 3A η = 0,4392 η = 0,5985 η = 0,3238 Amostra 4A Amostra 5A Amostra 6ª η = 0,247 η = 0,3076 η = 0,7578 Amostra 7A Amostra 8A 7634

9 η = 0,84 η = 0,8785 CONCLUSÕES O equipamento não só suportou os requisitos do processo, como conseguiu fazer toda a dinâmica de processo a qual foi requisitado. Já o processo, foi possível observar uma grande influência da zona livre de bolhas e como isto, foi influenciado pela temperatura de vazamento, quantidade de material usado e tempo de expansão. Sendo que as adequações desses parâmetros reduziram o efeito de drenagem, logo foram responsáveis pelo aumento da eficiência do produto final. AGRADECIMENTOS Agradeço a Unesp por todo o suporte para a realização desse projeto, a CAPES pela bolsa de mestrado. REFERÊNCIAS [1] M. F. Ashby, A. Evans, N. a Fleck, L. J. Gibson, J. W. Hutchinson, and H. N.. Wadley, Metal foams: a design guide, Mater. Des., vol. 23, no. 1, p. 119, Feb [2] B. Bauer, S. Kralj, and M. Bušić, PRODUCTION AND APPLICATION OF METAL FOAMS IN CASTING TECHNOLOGY, Teh. Vjesn. Tech. Gaz., vol. 20, no. 6, pp , [3] F. García-Moreno, Commercial Applications of Metal Foams: Their Properties and Production, Materials (Basel)., vol. 9, no. 2, p. 85, Jan

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12 ADAPTED EQUIPMENT FOR ALUMINIUM FOAM PRODUCTION VIA LIQUID ROUTE Aluminium foam have excellent combination of properties and are a great choice for applications where requires low density, toughness, thermal and acoustic insulation. Despite these characteristics this material is not widely industrially yet. To produce this material, in a similar Alporas process a vertical furnace was adapted, assembling a mechanical system of agitation of the liquid, variable, and new temperature control system, which can work at temperatures near 700ºC and mix in different speeds. Several samples using as a foaming agent and a commercial aluminium were produced. The processing variable temperature, mixing time, aluminium amount and holding time were studied and the system proved reliable. The results were quantitated by morphology and distribution of pores and also the process efficiency. For the conditions evaluated, the best processing temperature was 750ºC, 180 seconds mixing time and 300 seconds expansion time. 7638