Processamento e Manufatura de Metais 1
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- Igor Valverde Camarinho
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1 Processamento e Manufatura de Metais 1 Prof. Dr. Lucas Freitas Berti Engenharia de Materiais - UTFPR lenberti@gmail.com 1
2 Aula 7 29/05/2013 Nucleação
3 Presença Cobrança da presença 3
4 Ementa Sumário da aula Alto-forno; Conversores; Ligotamento contínuo. 4
5 Coqueificação Planta de coqueificação vídeo 5
6 Alto-forno 6
7 Alto-forno Cadinho é a parte mais baixa do alto-forno. Sua função é coletar o gusa e, por cima deste, a escória à medida que se forma. Rampa está colocada sobre o cadinho e tem a forma tronco-cônica. É a zona de fusão dos materiais. 7
8 Alto-forno Ventre região cilíndrica sobre a rampa. Em alguns altos-fornos não há ventre, a rampa une-se diretamente à cuba. Cuba tem a forma de uma grande seção tronco-cônica, com a base maior apoiada sobre o ventre (ou o cadinho). 8
9 Alto-forno Goela é a parte que está localizada acima da cuba. É revestida internamente de placas de desgastes que protegem o refratário do impacto da carga durante o enfornamento. 9
10 Alto-forno Topo está localizado na parte superior do forno, onde se localizam os dispositivos de carregamento (cone grande, cone pequeno, distribuidor, dutos de gás, portas de explosão, sangradouros) e as plataformas de acesso a todos esses equipamentos. 10
11 Alto-forno Ventaneiras está localizada a 1/3 do cadinho. Seu número depende do diâmetro do forno. São feitas de cobre eletrolítico. Como estão expostas as temperaturas mais altas utiliza-se água de caldeira em recirculação para sua refrigeração. É pelas ventaneiras que é insuflado o ar pré-aquecido para a queima do combustível, a fim de fornecer calor às reações químicas e fusão do ferro. Zona de Coque Estagnado Minério Coque Zona Granular Zona de Amolecimento e Fusão Zona de Coque Ativa Camada em Amolecimento e Fusão Zona de Combustão Cadinho Zona de Gotejamento 11
12 Alto-forno Carga em camadas Minério de ferro; Coque; Fundente. Vídeo SILVA, Andre Luiz da Costa e; MEI, Paulo Roberto. Aços e ligas especiais. 2. ed. São Paulo: Edgard Blücher, p. : CD-ROM ISBN
13 Alto-forno Fornos modernos Carvão vegetal; Óleo; Coque pulverizado. Ventaneiras SILVA, Andre Luiz da Costa e; MEI, Paulo Roberto. Aços e ligas especiais. 2. ed. São Paulo: Edgard Blücher, p. : CD-ROM ISBN
14 Alto-forno Reator químico que envolve três fases em contracorrente de gás. Permeabilidade (importante fator) 14
15 Alto-forno Carga do forno; 1610 kg de minério (73% sinter, 5% pelotas e minério) 506 kg de redutor (381 kg coque, 125 kg carvão pulv) 250 kg de calcário (complementar ao minério) 1,8 a 2,0 ton de ar 15
16 Alto-forno Rendimento; 1 tonelada de gusa; 0,2-0,4 ton de escória; 2,5-3,5 ton de gás de auto-forno 16
17 Alto-forno 17
18 Alto-forno 18
19 Alto-forno 19
20 Alto-forno 20
21 Alto-forno 21
22 Alto-forno Acomodação da carga vídeo 22
23 CST Obras de expansão vídeo 23
24 Laminação LTQ vídeo 24
25 Lingotamento 25
26 Lingotamento 26
27 Ligotamento contínuo LTQ vídeo 27
28 Lingotamento contínuo 28
29 Produção aço Vários processos vídeo 29
30 Conversores Tipos de conversores LD (BOF) Q-BOP (sopro sub) 30
31 Conversores LD (BOF) Linz-Donawitz ou Basic Oxygen Furnace Sopro por cima 31
32 Conversores Q-BOP (sopro submerso) Agita mais vigorosamente o metal 32
33 Conversores 33
34 Conversores 34
35 Conversores 35
36 Conversores Carregamento com o gusa vídeo 36
37 Conversores Vários processos vídeo 37
38 Aciaria Refino e conformação do aço vídeo 38
39 Siderurgia completa AK steel vídeo 39
40 Forno elétrico 40
41 Desenvolvimentos 41
42 Solidificação 42
43 Solidificação 43
44 Solidificação 44
45 Ementa Sumário aula Nucleação. 45
46 Nucleação Nucleação homogênea Nucleação heterogênea 46
47 Nucleação Nucleação homogênea Sem a presença de meios auxiliares 47
48 Nucleação Nucleação heterogênea Superfícies; Inclusões; Meios que auxiliam a nucleação 48
49 Nucleação L G1 ΔT L S G2=G1+ΔG 49
50 Nucleação ΔT L L G2=G1+ΔG G1 50
51 Nucleação homogênea 51
52 Nucleação homogênea 52
53 Nucleação homogênea 53
54 Nucleação homogênea 54
55 Nucleação homogênea 55
56 Nucleação homogênea ΔG hom =4πr³ΔG v /3+4πr²γ sl r * =-2γ sl /ΔG v ΔG * =16πγ³/3ΔG v ² ΔG= ΔH-TΔS=0 ΔS= H ls /T m em T m ΔG=H ls +TH ls /T m ΔG=H ls ΔT/T m r * =-2γ sl T m /H ls ΔT 56
57 Nucleação homogênea r * =-2γ sl T m /H ls ΔT 57
58 Nucleação homogênea 58
59 Nucleação homogênea 59
60 Nucleação heterogênea 60
61 Nucleação heterogênea ΔG het =-V s ΔG v +A SL γ SL +A SM γ SM -A SM γ ML 61
62 Nucleação heterogênea ΔG het =-V s ΔG v +A SL γ SL +A SM γ SM -A SM γ ML A SL = 2πr²(1-cosθ); A SM = πr²sen²θ; V s =πr³(2+cosθ)(1-cosθ)²/3 (2-3cosθ+ cos³θ)=(2+cosθ)(1- cosθ)² Provar que ΔG het = ΔG hom f(θ). 62
63 Nucleação heterogênea f(θ)=1/4(2-3cosθ+cos³θ) 1,00 f( ) 0,75 f( ) 0,50 0,25 0, Ângulo ( ) 63
64 Homogênea vs heterogênea 64
65 Nucleação heterogênea 65
66 Nucleação heterogênea 66
67 Solidificação 67
68 Solidificação 68
69 Solidificação 69
70 Solidificação Falta de homogeneização composicional do sólido; Sólido zonado, (zonado); 70
71 Solidificação 71
72 Solidificação 72
73 Solidificação A morfologia depende da taxa de resfriamento e do superesfriamento 73
74 Solidificação 74
75 Solidificação Regiões de segregação em uma ligoteira 75
76 Solidificação 76
77 Solidificação 77
78 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Salvo raríssimas exceções todos os produtos metálicos passam necessariamente pela solidificação em algum estágio de sua obtenção. É na fundição de metais que a solidificação encontra seu mais vasto campo de aplicação 78
79 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Na fundição, a solidificação do metal ocorre, geralmente, em poucos segundos. É um tempo muito breve no processo produtivo de uma peça, mas é o coração do processo. Se estes poucos segundos de solidificação não forem bem controlados eventuais defeitos de fabricação podem surgir inviabilizando a utilização da peça produzida 79
80 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Um material metálico ao passar do estado líquido para o estado sólido (e vice-versa) sofre uma drástica mudança de viscosidade Ao se fundir os materiais metálicos têm sua viscosidade aumentada em aproximadamente x (cem quinqualhões de vezes) 80
81 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Na solidificação de um metal tem-se a formação de, geralmente, vários núcleos cristalinos envolvidos em um líquido que possui natureza amorfa. 81
82 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO T (ºC) Subresfriamento Liq. T f ΔT Liq. Liquido + Sólido Sólido Líquido atomicamente desordenado (amorfo) Núcleo atomicamente ordenado (cristal) 82
83 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Nucleação Homogênea o núcleo sólido nasce totalmente a partir do líquido Nucleação Heterogênea o núcleo sólido nasce em contato com uma superfície sólida 83
84 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Nucleação homogênea Na nucleação homogênea é necessário um subresfriamento térmico para se estabilizar um ou mais núcleos e então a partir dele(s) ocorrer a solidificação 84
85 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Subresfriamento necessário para nucleação homogênea de alguns materiais Material Pb Ag Cu Ni Fe H 2 O Temp. de Fusão ( o C) Subresfriamento ( o C)
86 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Crescimento da fase sólida Uniforme Sólido 86
87 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Crescimento da fase sólida Colunar Sólido 87
88 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Crescimento da fase sólida Dendrítico Sólido Dendritas 88
89 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Crescimento da fase sólida metal puro Sólido + líquido Sólido + líquido Sólido + líquido 100% sólido 89
90 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Fonte: G.F Van der Voort. Microstructre of nonferrous alloys (2002) Aluminio super-puro Revela microestrutura de grãos alfa equiaxiais 90
91 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Fonte: G.F Van der Voort. Microstructre of nonferrous alloys (2002) Liga de alumínio 1100 (>99%Al) Revela microestrutura de solidificação dendrítica 91
92 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Crescimento da fase sólida ligas Fonte: G.F Van der Voort. Microstructre of nonferrous alloys (2002) Liga de alumínio 3105 (Al 0.55% Mn 0.5% Mg) Revela precipitados intermetálicos formados no estágio final da fusão 92
93 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Crescimento da fase sólida ligas Fonte: G.F Van der Voort. Microstructre of nonferrous alloys (2002) Liga de alumínio hipoeutética (Al 11.8% Si) Dendritas alfa e um eutético alfa-si. 93
94 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Após a formação da região Devido Após Atingindo-se coquilhada a ao formação forte a subresfriamento o temperatura da material região se de de grãos formam-se solidificação, colunares sob vários a o ação tem-se material núcleos de oum se heterogêneos solidifica pequeno Material surgimento formando metálico subresfriamento em de contato núcleos no grãos com a superfície crescendo estado nas grandes paredes líquido segundo equiaxiais molde a uma molde gerando a direção grãos temperatura Nucleação da pequenos extração heterogênea acima e de equiaxiais calor da temperatura de Nucleação solidificação heterogênea Grãos equiaxiais Núcleos Grãos coquilhados Grãos colunares 94
95 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação 95
96 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação Região Coquilhada Grãos colunares Grãos Equiaxiais 96
97 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação Pode-se obter macroestruturas diversas fazendo-se o controle adequado do processo 97
98 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação Para a grande maioria das aplicações dos metais busca-se otimizar as propriedades mecânicas e tecnológicas através de uma microestrutura de grãos refinados. 98
99 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação Na fundição isto pode ser obtido através do controle das variáveis de processo que propiciem um máximo subresfriamento (uso de moldes metálicos, resfriadores, etc.). O máximo de eficácia é atingindo usando-se INOCULANTES 99
100 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação Inoculante é um pó geralmente fino de um material covenientemente escolhido (dependendo da liga a ser fundida) depositado no estado sólido no metal ainda líquido fornecendo superfície para a nucleação heterogênea 100
101 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação Favorece o surgimento de maior número de núcleos. Dependendo de sua dispersão, reduz o efeito da formação de macroestrutura de fundição 101
102 Fundição ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação Utilizando inoculantes aço ferrítico (Fe-Si) sem com 102
103 Próxima aula Lista de exercícios 1ª Avaliação 103
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