A fundição centrífuga é um importante processo de produção de tubos de ligas metálicas e de cilindros de laminação. A transferência de calor no metal durante a fundição centrífuga de tubos foi modelada matematicamente e o coeficiente de transferência de calor na interface metal-molde determinado em função do tempo utilizando a técnica da solução inversa. A solução inversa foi obtida a partir das curvas de resfriamento experimentais disponíveis na literatura para a fundição centrífuga de um tubo de ferro-fundido. O resultado da solução inversa mostrou, pela primeira vez, que o comportamento do coeficiente de transferência de calor na interface metal-molde durante a fundição centrífuga é semelhante ao da fundição estática: tem-se um valor elevado logo após o vazamento, apresentando um decréscimo exponencial com o tempo. Um modelo matemático da transferência de calor na interface metal-molde foi desenvolvido com base nos mecanismos fundamentais de transferência de calor, como a transferência por condução e radiação através do vão formado nesta interface. Para a previsão deste vão, foram considerados os efeitos da contração térmica e da deformação plástica da casca metálica solidificada. A utilização deste modelo matemático para a transferência de calor na interface metal-molde permitiu o cálculo de curvas de resfriamento em excelente aderência às curvas experimentais reportadas na literatura. / Centrifugal casting is an important process to produce metallic pipes in general and cylinders for steel rolling mills. A mathematical model was proposed for the heat transfer during solidification of centrifugally cast pipes. The heat transfer coefficient at the metal-mold interface was determined as a function of time by the inverse solution technique. The inverse solution was obtained using experimental cooling curves available in the literature for a centrifugally cast-iron pipe. The inverse solution showed, for the first time, that the behavior with time of the heat transfer coefficient at the metal-mold interface is analogous to that observed in traditional static casting processes: an initial relatively large value decreases exponentially with time. A mathematical model for the heat transfer at the metal-mold interface based on fundamental heat transfer principles was proposed. In this model, the heat conduction and radiation in the gap formed at the metal-mold interface, as well as the thermal and plastic deformation of the solid shell, were taken into account. This model, applied to predict the solidification of a cast-iron tube in the centrifugal casting process, enabled the calculation of cooling curves that are in excellent agreement with experimentally measured curves.

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Made available in DSpace on 2016-12-08T17:19:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Carlos Gomes de Oliveira.pdf: 4412110 bytes, checksum: 0c8f230dca55da323a2cedd9aeb3559d (MD5) Previous issue date: 2014-08-15 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Each foundry process has specific characteristics that confer to the part the required properties. Those characteristics are mainly the result of cast metal and mold materials, as well as of mold conception, which controls the heat extraction from the metal during solidification. Here, the mechanisms of this heat transfer between metal and mold, i.e., the resistances to the heat flux imposed by each material that are part of the productive process, were analyzed for two different metal-mold systems: ductile iron (GJS-400-15)-green sand and aluminum (AlSi12)-steel. The heat transfer between metal and mold was solved using three different methods: an analytical solution based on the semi-infinite solid model; a numerical solution, wherein it was possible to evaluate in detail the influence of metal, mold and interface in the global heat transfer; and the solution from software MAGMA5, that was be used as reference. The results showed that the thermal diffusivity of each material is the preponderant factor in the time variation of the metal and mold temperatures. The variation of physical properties of the materials during the first seconds of the metal-mold contact had a larger effect in the regions farther from the interface. For the iron-sand pair, the sand mold exerted a larger resistance to the heat flux than either the iron, or the interface. For that reason, variations of the interface thickness has a small effect in the mold temperature and even smaller in the metal temperature. The interfacial heat transfer coefficient between metal and mold, hi, varied from 1283W/m2K to 273W/m2K, numbers that are similar to those found in the literature. For the aluminum-steel system, the resistances to the heat flux imposed by the metal, mold and interface presented similar values and, therefore, an equivalent contribution to the global heat transfer between metal and mold. In this situation, the effect of the variation of the gap resistance in the temperature for metal and mold cannot be neglected. The interfacial heat transfer coefficient remains approximately constant with temperature, varying only with the interface thickness. The hi values found for the aluminum-steel pair varied from 560W/m2K to 123W/m2K and are smaller than those found by other researchers for the same metal-mold pair. / Cada processo de fundição apresenta características específicas que visam conferir à peça as propriedades requeridas em campo. Essas características resultam, em grande parte, das propriedades físicas da liga fundida e do material no qual é feito o molde, assim como da concepção do molde, a qual regula a extração de calor do metal para o ambiente. Nesse trabalho, os mecanismos desta transferência de calor entre metal e molde, ou seja, as resistências impostas ao fluxo de calor por cada material que compõe o processo produtivo, foram analisados para dois sistemas metal-molde: ferro nodular (GJS-400-15)-areia verde e alumínio (AlSi12)-aço comum. O problema da transferência de calor entre metal e molde foi resolvida através de três soluções distintas, sendo a primeira uma solução analítica baseada no modelo de sólido semi-infinito, uma solução numérica, na qual pôde-se avaliar de forma mais detalhada a influência de metal, molde e interface na transferência de calor global e uma solução obtida através do software MAGMA5 a ser usada como referência. Os resultados mostraram que a difusividade térmica de cada material é fator preponderante na evolução do perfil de temperaturas de metal e molde, sendo que a variação nas propriedades físicas dos materiais têm maior influência nas regiões mais afastadas da interface, durante os instantes iniciais do contato entre metal e molde. Para o par ferro-areia, observou-se que o molde de areia exerce uma resistência ao fluxo de calor muito maior do que a resistência oferecida pela interface e pelo ferro. Por essa razão, variações na espessura da interface produzem pouco efeito no perfil de temperaturas do molde e menos efeito ainda no metal. O coeficiente de transferência de calor interfacial entre metal e molde, hi, encontrado para o sistema ferro-areia variou entre 1283W/m2K e 273W/m2K, valores que estão de acordo com aqueles encontrados na literatura para esse mesmo par metal-molde. Para o sistema alumínio-aço, as resistências ao fluxo de calor oferecidas pelo metal, molde e interface têm valores próximos entre si e, portanto, têm pesos equivalentes na transferência de calor global entre metal e molde. Nesse caso, o efeito da variação da espessura da interface no perfil de 7 temperaturas, tanto do metal como do molde, não pode ser negligenciado. No sistema alumínio-aço, o coeficiente de transferência de calor interfacial, hi, pode ser considerado constante em relação à temperatura, variando apenas em função da espessura da interface. Os valores de hi encontrados para o par alumínio-aço variaram entre 560W/m2K e 123W/m2K e são mais baixos que os valores encontrados na literatura para esse mesmo par metal-molde.

A fundição centrífuga é um importante processo de produção de tubos de ligas metálicas e de cilindros de laminação. A transferência de calor no metal durante a fundição centrífuga de tubos foi modelada matematicamente e o coeficiente de transferência de calor na interface metal-molde determinado em função do tempo utilizando a técnica da solução inversa. A solução inversa foi obtida a partir das curvas de resfriamento experimentais disponíveis na literatura para a fundição centrífuga de um tubo de ferro-fundido. O resultado da solução inversa mostrou, pela primeira vez, que o comportamento do coeficiente de transferência de calor na interface metal-molde durante a fundição centrífuga é semelhante ao da fundição estática: tem-se um valor elevado logo após o vazamento, apresentando um decréscimo exponencial com o tempo. Um modelo matemático da transferência de calor na interface metal-molde foi desenvolvido com base nos mecanismos fundamentais de transferência de calor, como a transferência por condução e radiação através do vão formado nesta interface. Para a previsão deste vão, foram considerados os efeitos da contração térmica e da deformação plástica da casca metálica solidificada. A utilização deste modelo matemático para a transferência de calor na interface metal-molde permitiu o cálculo de curvas de resfriamento em excelente aderência às curvas experimentais reportadas na literatura. / Centrifugal casting is an important process to produce metallic pipes in general and cylinders for steel rolling mills. A mathematical model was proposed for the heat transfer during solidification of centrifugally cast pipes. The heat transfer coefficient at the metal-mold interface was determined as a function of time by the inverse solution technique. The inverse solution was obtained using experimental cooling curves available in the literature for a centrifugally cast-iron pipe. The inverse solution showed, for the first time, that the behavior with time of the heat transfer coefficient at the metal-mold interface is analogous to that observed in traditional static casting processes: an initial relatively large value decreases exponentially with time. A mathematical model for the heat transfer at the metal-mold interface based on fundamental heat transfer principles was proposed. In this model, the heat conduction and radiation in the gap formed at the metal-mold interface, as well as the thermal and plastic deformation of the solid shell, were taken into account. This model, applied to predict the solidification of a cast-iron tube in the centrifugal casting process, enabled the calculation of cooling curves that are in excellent agreement with experimentally measured curves.