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Thesis (PhD)--University of South Australia, 2000

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O presente estudo visa dar luz sobre fenômenos ainda pouco explorados que ocorrem durante a estratificação em leitos de jigagem, bem como sobre novas possibilidades de aplicação da técnica. Por meio de testes com misturas de agregados em jigues hidráulico e pneumático descontínuos, foi pela primeira vez examinada a ocorrência de convecção granular em jigues. Os fatores envolvidos em sua formação e a influência sobre a estratificação foram analisados em detalhes. Do mesmo modo, foi examinada a influência da granulometria do leito sobre a estratificação em jigues pneumáticos e a possibilidade de uso do mesmo como um equipamento multi-separador. Os resultados revelam a existência de um fluxo ordenado e estacionário de partículas durante a pulsação do leito, ascendente na porção central e descendente nas bordas do jigue, de modo similar ao fluxo convectivo descritos na literatura para leitos vibrados mecanicamente. Este fluxo convectivo gerou uma distorção no rearranjo do leito estratificado, dando origem a um perfil horizontal de estratificação no qual as partículas leves se concentraram nas bordas e as partículas densas se concentraram preferencialmente na zona central dos estratos. Com base nos resultados, um mecanismo de formação do fluxo convectivo e um modelo preditivo do rearranjo do leito foram propostos. Observou-se também que a diminuição da granulometria e o aumento da distribuição de tamanho dos constituintes do leito teve um efeito positivo sobre a estratificação. Os resultados sugerem que isto pode estar em parte relacionado a maior compactação do leito quando da presença de partículas de menor tamanho. Também, resultados experimentais demonstraram a possibilidade de uso do jigue pneumático para realizar a operação conjunta de separação de materiais rochosos e não rochosos em um único estágio. O desempenho global na remoção de contaminantes não-rochosos foi similar ao de separadores pneumáticos e sistemas de "sorting" automático descritos na literatura. Ainda, a quantidade inicial de contaminantes no sistema teve um efeito desprezível sobre o desempenho. Os resultados obtidos, em particular aqueles relacionados à convecção granular, fornecem novas perspectivas a respeito dos fenômenos envolvidos na estratificação em jigues. Ainda, benefícios práticos podem ser extraídos a partir dos resultados da análise do efeito da granulometria sobre a estratificação e do uso de jigues pneumáticos como multi-separadores. / This study aims to shed some light on some unclear phenomena that occurs during particle stratification in jigs as well as on new possibilities of application of jigging technique. For the first time, the occurrence of granular convection in jigging beds was analyzed by considering the case of hydraulic and pneumatic jigs operating with mixtures of aggregates. The elements involved in the pattern formation and its influence on bed stratification were analyzed in detail. The influence of particle size distribution on bed stratification and the possibility of using pneumatic jigging as a multi-separator were also examined. The experimental results reveal the existence of a steady, ordered flow of particles over bed pulsation, in which particles move upward in the center of the jig bed and downward along the walls of the jig container, similarly to the circulation patterns reported in the literature. The convection gave rise to a distortion in the particle rearrangement, engendering the formation of a horizontal stratification profile in which light particles tended to be concentrated along the walls while dense particles tended to be concentrated preferentially in the center portion of the strata. On the basis of the experimental results, a mechanism of pattern formation and a prediction model were proposed. The results also revealed that the decrease of the particle size and the increase in the particle size distribution had a positive influence on stratification extent. It was suggested by the results that this behavior can be related to the higher bed compaction due to the presence of smaller particles in the bed. Also, experimental results indicated the technical feasibility of the combined use of pneumatic jigging for the removal undesired non-stony materials together with the bed stratification in only one single stage. The reported separation efficiency in the removal of low-density materials was comparable to those of air classifiers and automatic sorting systems. Also, the initial content of contaminants seemed to have a negligible effect on the separation performance. The results obtained, in particular those related to the granular convection, provides new perspectives about the phenomena involved in stratification by jigging. Moreover, practical benefits can be obtained from the results about the influence of particle size on bed stratification and about the usage of pneumatic jigging for multi-separation.

A técnica de sinterização por plasma, também conhecida como processo SPS (Spark Plasma Sintering), é um processo para consolidação e sinterização de pós, em que corrente elétrica alternada pulsada e pressão de compactação são aplicadas simultaneamente aos componentes ferramentais (molde, punções, etc.). O molde utilizado neste processo tradicionalmente é cilíndrico, composto por grafite e permite a fabricação de amostras com geometria circular. Esse processo também possibilita a sinterização de um grande número de materiais, em especial, Materiais com Gradação Funcional (MGF). Tendo em vista os aspectos de geometria e composição da amostra, um projeto de otimização de moldes pode ser desenvolvido visando a fabricação de amostras com geometrias e gradação complexas. Com isso, é possível adequar a geometria do molde ao formato e composição da amostra que se deseja sinterizar, visando uma sinterização uniforme. Portanto, o objetivo deste trabalho é o desenvolvimento de uma metodologia para projetos de moldes utilizados na sinterização por plasma. Esta metodologia consiste na implementação de um algoritmo de otimização baseado no Método de Otimização Topológica (MOT), considerando três tipos de abordagem: a primeira abordagem, a qual visa a geometria da amostra, busca obter um molde prismático considerando amostras com geometria arbitrária, como por exemplo quadrada, triangular ou em cruz, com o objetivo de uniformizar o campo de temperaturas na amostra: na segunda abordagem, que considera moldes para a fabricação de amostras (MGF, os moldes podem ser projetados de modo a produzirem um gradiente de temperatura, na direção axial, através da variação da espessura da parede do molde; a terceira abordagem considera um molde constituído por material compósito. Nesta última abordagem é proposto um novo conceito de molde, onde se busca trabalhar não apenas com a geometria, como também com a microestrutura do molde dada por um material anisotrópico. Para a implementação do algoritmo de otimização, um modelo computacional baseado no Método dos Elementos Finitos (MEF), é desenvolvido considerando o processo SPS como um problema de acoplamento eletrotérmico. Na implementação do MOT utiliza-se um modelo de material baseado no SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) e Programação Linear Sequencial (PLS) para resolver o problema de otimização do molde. Todo algoritmo de otimização é implementado na linguagem própria do ambiente Matlab® e o pós-processamento, para verificação e validação dos resultados, é executado no software comercial Comsol®. / The Spark Plasma Sintering (SPS) technique is a powder consolidating and sintering process, in which pulsed DC electric current and pressure loads are applied simultaneously in the tool system components (graphite die, punchers, etc.) in order to perform the sintering process. Generally, a cylindrical graphite die is used for circular samples manufacturing and through this process the sinterization of a large number of materials, including Functionally Graded Materials (FGM), is possible. Considering the geometry and sample material aspects, an optimization die design technique can be developed based on the manufacturing of samples with complex geometry and gradation. Thus, it is possible to adjust the die geometry to the sample geometry or gradation in order to achieve a uniform sinterization. Therefore, the aim of this work is the development of a methodology to be applied in the design of dies used in SPS sintering process. This methodology consists of implementing an optimization algorithm based on the Topology Optimization Method (TOM), considering three approaches: in the first one a prismatic die is designed to process a sample with arbitrary geometry, for example square, triangular and cross sample; in the second approach the change of the die wall thickness is considered to achieve a predefined temperature gradient in the gradation direction of MGF samples and the third approach the same previous objective is considered, however the focus is the optimization of thermal conductive fibers. In the latest approach, a new die concept is proposed, where the objective is to optimize not only the die geometry but he microstructure considering a die composed by an anisotropic material. T implement the optimization algorithm a computational model based on the Finite Element Method (FEM) is developed considering the SPS process as an electrothermal coupled problem. In the TOM implementation a material model based on SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) is adopted and the Sequential Linear Programming is used to solve the optimization problem. The optimization algorithm is implemented using the Matlab® environment and the pos-processing, for verification and validation of the obtained results is carried out by using Comsol®.