EQUIPAMENTO PARA PROCESSAMENTO DE MATERIAL FUNDIDO PARA FORNO POÇO

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1 EQUIPAMENTO PARA PROCESSAMENTO DE MATERIAL FUNDIDO PARA FORNO POÇO Mauricio de Oliveira Filho, 1 Weslley Luiz da Silva Assis, 1 Hugo Dutra Gomes, 1 Celio de Jesus Marcelo, 1 Anderson Zenken Nakazato, 1 Maria Carolina dos Santos Freitas, 1 1 Universidade Federal Fluminense, Av. dos Trabalhadores, 420 CEP Volta Redonda, RJ, Brasil Resumo: Este trabalho visa o desenvolvimento de um equipamento a ser utilizado em um forno do tipo poço, que permita que o usuário tenha acompanhamento visual e acesso constante ao material durante o processo. O acesso ao equipamento deve ser simples e seguro para adição de aditivos ao material fundido durante o processo de fabricação. Deve permitir também o uso de um misturador opcional de acordo com o processo analisado. Para atender tais requisitos, foi desenvolvido um mecanismo via Software CAD 3D SOLIDWORKS devido a simplicidade de se trabalhar com modelamento geométrico com esta ferramenta. O comportamento térmico da estrutura foi estudado rigorosamente por simulação computacional via elementos finitos Software ABAQUS. Neste software foram utilizadas riquezas de detalhes descritivos dos materiais utilizados, tais como: propriedades térmicas e mecânicas do aço 1020 (forno), cadinho aço inox 304 e placas térmicas Kaowool BK (isolamento térmico). A partir dos resultados de simulação observou-se que a evolução térmica ocorreu de acordo com esperado, e que o usuário pode trabalhar sem maiores riscos devido ás trocas térmicas. Palavras-chave: Forno Poço, Material Precursor, Simulação,Elementos Finitos,Transferência de Calor 1 INTRODUÇÃO Com o advento da computação, novas tecnologias são criadas diariamente para facilitar métodos de produção e confecção de novos materiais. Na área da engenharia mecânica e de materiais existe uma interminável busca de materiais com melhores propriedades mecânicas e menor peso simultaneamente. Portanto, a fim de obter uma gama variada de materiais e com a possibilidade de analisa-los com uma larga variação de parâmetros e processos, como as ligas de alumínio com adição de particulado em Ashby (2000), Banhart (2001) ou Dukhan (2013), se faz necessário deter de um equipamento, em menor escala, que tenha uma gama variada de operações e com a possibilidade corpos de prova com dimensões distintas. Assim dando uma maior possibilidade do usuário analisar melhor os parâmetros externos e internos do experimento e como esses parâmetros interferem nas amostras produzidas. Logo foi proposto desenvolver este mecanismo na Universidade Federal Fluminense de Volta Redonda, no qual o mesmo foi projetado para um forno mufla do tipo poço. Pois este tipo de forno facilita os processos necessários para a produção da matriz metálica desejada, tais como fácil acesso pelo usuário durante todo o processo, que o mesmo possa colocar diferentes elementos químicos em estágios diferentes da produção do material, tenha um misturador que possa entrar ou sair da matriz metálica fundida e também possa agitar o metal precursor com diferentes velocidades de mistura, melhorando assim homogeneização da matriz metálica fundida. Portanto para atender tais requisitos de processo, foi projetado via software CAD 3D SOLIDWORKS um mecanismo para o forno proposto. Porém devido à geometria do protótipo e as solicitações no qual o mesmo será submetido, pois uma parte da estrutura estará repousada no interior do forno, com temperaturas superiores a 650ºC, e as demais partes vão estar na parte externa ao forno, portando a temperatura ambiente. Logo foi utilizado o software ABAQUS para analisar o mecanismo por condução (assim tendo o respaldo que o mesmo é seguro para o usuário e que o protótipo atenda os requisitos de temperatura do metal fundido) e por radiação, já que esta é a maior parcela de transferência de calor das placas do forno com o cadinho, logo com o corpo de prova. 2 MATERIAIS E METODOS 2.1 Forno Proposto Devido ao seu tamanho reduzido e por ter fácil acesso, já que o mesmo é um forno tipo poço e as operações e as posições do mesmo se tornam mais seguras o manuseio no processo, como demonstrado na Fig. (1).

2 A) B) Figura 1. Forno proposto para projetar o protótipo do mecanismo, sendo a) Vista superior e b) Vista frontal. 2.2 Análise Mecânica do Protótipo Para reduzir erros de projeto, como interferência (protótipo/forno e protótipo/usuário), tenha peso reduzido e atentada a todos os requisitos de produção foi utilizada software CAD 3D SOLIDWORKS para atender os requisitos necessários pelo projeto como mostrado na Fig. (2). Figura 2. Vista frontal representando o mecanismo e as regiões no qual ele é afetado. Região de temperatura ambiente detém todo o sistema de eixo, alças de retirada do protótipo do forno e estrutura de apoio ao forno. Região de transição: Placa térmica Kaowool BK e parafusos para ligação das regiões. Região do forno: Cadinho e local de fixação dos corpos de prova para confecção do material.

3 2.2.1 Sistema do Misturador Devido à necessidade de estudar como o metal fundido se comporta na solidificação, portanto com uma grande influência do tamanho e geometria do CP, devido à versatilidade de materiais que possam ser adicionados e a segurança do usuário, o sistema misturador sobe de desce, saindo totalmente do forno. Tudo isto de maneira rápida e segura, pois o eixo e os rolamentos são fixados em um carrinho, este mecanismo desce e sobe escorregando sobre os metalons de perfil quadrado, assim dando estabilidade e facilidade de escorregamento. Como mostrado na Fig. (3). Figura 3. Vistas com o máximo e mínimo do sistema misturador, a) Vista frontal com o mínimo de percurso do sistema misturador, b) Vista lateral com o mínimo de percurso do sistema misturador, c) Vista frontal com o máximo de percurso do sistema misturador e d) Vista lateral com o máximo de percurso do sistema misturador. Para o misturador e o eixo, foi escolhido aço inox 304 devido a sua facilidade de ser encontrado, por ser comportar muito bem a temperaturas elevadas e por se comportar bem em atmosferas oxidantes. Para reduzir convecção, o acesso do operador e do misturador a amostra é feita por uma abertura nas três placas Kaowool com o diâmetro de 80 mm Sistema do Cadinho Para ter uma maior gama de corpos de prova, com o auxilio de parafusos M10, o sistema pode descer ou subir de maneira simples, como mostrado na Fig. (4). Como a porca M10 soldada na parte superior do tubo oco, existe a possibilidade de subir todo o cadinho. Como o parafuso está na parte interna do tubo, sendo este inox e totalmente soldado na base do cadinho, logo mesmo com mudanças no tamanho de amostra, os únicos materiais em contanto com a atmosfera interna do forno são, o cadinho e o corpo de prova, diminuindo drasticamente a chance de contaminação e reação da amostra, mesmo não perdendo a versatilidade de produzir e estudar materiais com composições e tamanhos diferentes.

4 Figura 4. Desenho esquemático da dinâmica do cadinho em relação à estrutura superior. As letras a, b, c são respectivamente as vistas frontal, lateral e isométrica dos parafusos totalmente apertados. As letras d, e, f são respectivamente as vistas frontal, lateral e isométrica dos parafusos parcialmente apertados Tratamentos Térmicos da Amostra Como sua geometria característica e seu peso de 7,2 Kg, há a possibilidade de o protótipo ser retirado do forno e colocado em um recipiente para resfriamento com água, óleo, ar ou ar forçado. Podendo assim analisar a influência de formas de resfriamento na matriz produzida com segurança e rapidez. 2.3 Escolha dos Materiais Para definição dos parâmetros a serem analisados via análise numérica, algumas propriedades foram estabelecidas referentes aos materiais escolhidos para a confecção do protótipo. Para as analises do cadinho, da hélice e eixo do misturador foi utilizado às propriedades demonstradas na Tab. (1).

5 Tabela 1. Propriedades de condutibilidade e emissividade do aço AISI 304 limpo e polido, variando a temperatura. Fonte: Incropera (2013) e Deng (2005) Aço 304 polido Aço 304 limpo Temperatura Condutividade Emissividade Condutividade Emissividade Temperatura Térmica térmica Térmica térmica (K) (W/m K) (K) (W/m K ) , , , , , , , , , , , , Para as placas do forno, foram utilizados os parâmetros demonstrados na Tab. (2) Tabela 2. Propriedades de emissividades por temperatura das paredes do forno. Fonte: Incropera (2013) Tijolo refratário Alumina Temperatura Condutividade Térmica Emissividade térmica (K) Tabela 3. Propriedades térmicas das Placas Kaowool BK. Fonte: Morgan Thermal Ceramics Placa Kaowool Bk Temperatura Condutividade Térmica K W/m.K 533 0, , , , Análise Térmica Com o auxilio do Software ABAQUS versão 6.9, devido o protótipo ser solicitado por faixas distintas de temperatura e de ter um número elevado de interações e a sua simetria, foi escolhido cortar o mecanismo em dois planos perpendiculares entre si. Com isso o foi analisado somente um quarto do protótipo, como mostrado na Fig. (5), pois assim reduziu a quantidade de interações necessárias. Sendo que esse método reduz o tempo de calculo e não reduz a qualidade dos resultados obtidos.

6 Figura 5. Vista isométrica da malha gerada do mecanismo e da parede do forno. 3 RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1 Radiação Portando devido à radiação ser principal fonte de calor do das placas do forno com o protótipo, logo o responsável pelo aquecimento do cadinho e do corpo de prova. Então se faz necessário uma análise térmica por radiação para que com isso tenha um retorno mais palpável de como tal forma de transferência de calor irá influenciar no equipamento. Assim foi utilizado o tipo de análise VFOP do Software ABAQUS CAE versão 6.9, o mesmo retorna a quantidade máxima de espectros de radiação que cada área de face de elemento recebe. Para obter maior respaldo da influência dessa transferência de calor foi escolhido uma análise com quase 2 milhões de elementos, como pode ser demonstrado na Fig. (6).

7 Figura 6. Ferramenta VFOP de análise numérica do Software ABAQUS CAE. a) Vista frontal da magnitude de radiação recebida pela face de cada elemento. b) Vista em perspectiva da magnitude de radiação recebida pela face de cada elemento. Logo para o forno proposto, pode ser observado quanto mais baixo o mecanismo estiver, maior a quantidade de energia será recebida pelo cadinho, portanto pelo corpo de prova que poderá ser fixado nele. 3.2 Condução Com o intuito de observar e analisar a influência da aplicação do protótipo em ligas metálicas fundidas foi utilizado como parâmetro de entrada no software de análise térmica, o valor de 950 K como temperatura para a base do cadinho, pois a mesma é acima da temperatura de fusão de alumínio. Os dados obtidos demonstram que na parte superior, o metalon que tem como função de alça do mecanismo, ficou a temperaturas por volta de 300 K. Temperatura próxima ao do ambiente. Portanto segura para que o usuário possa fazer os estágios de retirada de todo o mecanismo do forno. Assim podendo fazer com segurança os demais processos de resfriamento controlado.

8 Figura 7. Análise térmica por condução do mecanismo. Para ter um maior respaldo na análise térmica por condução, foi averiguado via o parâmetro HFL do ABAQUS CAE o fluxo de calor no qual o equipamento será requisitado, tal resultado gerado demonstrou-se de acordo com os resultados esperados, pois as regiões em azul (base do cadinho no qual a temperatura foi fixada, placas de isolamento térmico e metalons onde a região vizinha tem a mesma temperatura) são regiões com baixa transferência de calor, e as regiões em verde com maior diferença de temperatura são as de maior magnitude do fluxo de calor. Figura 8. Análise da magnitude de fluxo de calor (HFL) do mecanismo.

9 4 CONCLUSÃO Primeiramente os softwares utilizados não só foram importantes para o resultado positivo, mas também como uma importantíssima ferramenta não só para checar se o protótipo vai ser seguro para ser manuseado, mas também para analisar as possíveis empregabilidades do mesmo. Já que este deve cumprir os requisitos de processo como adição de particulados ao metal fundido, utilização de misturador para homogeneização deste material ao banho metálico e também para tratamentos térmicos (tempera, ar forçado, ar tranquilo entre outros) posteriormente ao processo a ser analisado. O protótipo se demonstrou muito seguro, pois os valores encontrados de temperatura (aproximadamente temperatura ambiente na CNTP) na estrutura possibilitam uma boa região de manuseio pelo usuário, porem mesmo deverá manusear com cautela o equipamento, respeitando critérios de segurança e utilizando EPI. Pois com a análise feita por condução, foi observada na região que liga o cadinho a estrutura externa, temperaturas próximas a 200 C. Na análise por radiação, foi possível observar e quantificar qual a diferença e a influência do tamanho dos elementos, logo o número de elementos usados em toda a estrutura, na análise numérica. Pois com a diminuição do tamanho de elemento, portanto com um número maior de elementos, não só aumentou absurdamente o tempo de análise, no caso de condução com quarenta e nove mil elementos com um tempo de oito minutos para quarenta minutos na analise de radiação com dois milhões de elementos, mas foi também possível observar que a melhora foi praticamente insignificante do nível dos resultados. Portanto cerca de quarenta mil elementos é um número necessário para analisar com competência o protótipo proposto. Portanto a utilização dos softwares, para projetar e analisar termicamente o protótipo, demonstraram ser ótimas ferramentas de trabalho em conjunto para uma pré-análise de mecanismo a ser construído, não só reduzindo a chance de erro no experimento, observando se o equipamento atende os requisitos de segurança e produção, mas também podendo aumentar a gama de aplicabilidade do mesmo. 5 REFERÊNCIAS Ashby M.F., Evans A.G., Fleck N.A., Gibson L.J., Hutchinson J.W. And Wadley H.N.G., 2000, Metal foams A Design Guide, Butterworth-Heinemann, Londres. Banhart J., 2001, Manufacture, characterization and application of cellular metals and metal foams, Progress in Materials Science, Bremen, Alemanha. Deng D., Hidekazu M., 2005, Numerical simulation of temperature field and residual stress in multi-pass welds in stainless steel pipe and comparison whit experimental measurements, Joining and Welding Research Institute, Osaka, Japão. Incropera F. P., Dewitt D. P., Bergman T. L., Lavine L , Fundamentos de transferência de calor e de Massa, LTC, 6ª Edição. Dukhan N., 2013 Metal Foams Fundamentals and Applications, DEStech Publications, Inc. Lancaster. Morgan Thermal Ceramics, Catálogo da Placa térmica Kaowool BK,< %20Placas%20Rigidas//PLACA%20KAOWOOL%20%20BK.pdf >, Morgan Crucible Company plc. Acesso em: 19/05/2014, 15:33:40. 6 DIREITOS AUTORAIS Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso inclusos neste trabalho.

10 EQUIPMENT FOR CAST MATERIAL PROCESSING FOR FURNACE PIT Mauricio de Oliveira Filho, 1 Weslley Luiz da Silva Assis, 1 Hugo Dutra Gomes, 1 Celio de Jesus Marcelo, 1 Anderson Zenken Nakazato, 1 Maria Carolina dos Santos Freitas, 1 1 Universidade Federal Fluminense, Av. dos Trabalhadores, 420 CEP Volta Redonda, RJ, Brasil Abstract: This paper aims to develop a device to be used in an oven pit type, which allows the user to have visual monitoring and constant access to the material during the process. The access device must be simple and safe for adding additives to the melt during the manufacturing process. It should also allow the use of an optional mixer according to the analysis process. To meet these requirements, we developed a mechanism via Software 3D CAD SOLIDWORKS due to simplicity of working with geometric modeling with this tool. The thermal behavior of the structure has been rigorously studied by computer simulation via finite element software ABAQUS. This software riches were used in descriptive details of the materials used, such as thermal and mechanical properties of 1020 steel (oven), crucible 304 stainless steel plates and thermal Kaowool BK (thermal insulation). From the simulation results showed that the thermal evolution took place according to expected, and the user can work without major risks due ace thermal exchanges. Keywords: Furnace Pit, Precursor Material, Simulation, Finite Element, Heat Transfer

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