Orientador: Amauri Garcia / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Campinas / Made available in DSpace on 2018-07-14T01:32:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Adorno_MarcosEduardoTallarico_M.pdf: 2484851 bytes, checksum: 3560997cc4b2552e40060a833959afee (MD5) Previous issue date: 1982 / Resumo: O presente trabalho objetiva a determinação de parâmetros térmicas, cinéticos e de estrutura, na solidificação de metais não-ferrosos em dispositivos experimentais de fundição estática refrigerados a água, simulando certas condições de transferência de calor e de solidificação da primeira etapa de resfriamento do lingotamento continuo. É abordada inicialmente a evolução histórica deste processo juntamente com sua importância comercial, precedendo uma caracterização dos principais sistemas de lingotamento contínuo utilizados na indústria. Em seguida, é feita uma análise da transferência de calor verificada no primeiro estágio de refrigeração do processo, onde o conhecimento da cinética de solidificação e da distribuição de temperaturas no molde é fundamental para um bom desempenho operacional do sistema e para a qualidade do lingote obtido. São descritos três diferentes dispositivos simuladores que reproduzem satisfatóriamente certas condições de solidificação no interior de moldes refrigerados, particularmente no lingotamento contínuo. O primeiro destes é apresentado resumidamente através de suas características e possibilidades de investigação da qualidade superficial do lingote produzido continuamente, enquanto que os outros são enfocados mais detalhadamente. O estudo simulado desenvolvido com estes dois últimos dispositivos abrange, respectivamente, estimativas para os seguintes itens: Cinética de solidificação molde, distribuição de temperaturas no sistema metal-molde e variação do espaçamento interdendritico secundário durante esta etapa, para o caso do lingotamento de ligas de pequeno intervalo de solidificação e sob um regime unidirecional de extração de calor do molde. Inclinação da macroestrutura colunar e variação do coeficiente de transmissão de calor do sistema metal fluido de refrigeração, para o caso do lingotamento de metais puros, com uma componente de fluxo de calor na direção de extração do lingote. Finalmente, os resultados obtidos por diversas técnicas experimentais são correlacionados e comparados com previsões teóricas para esses itens, calculadas através de modêlos matemáticos especificos e de associações destes com equaçôes empíricas, em função de variáveis do processo de lingotamento contínuo. Uma concordância satisfatória é verificada entre os correspondentes valores, permitindo considerar a simulação efetuada neste trabalho como uma maneira indireta e relativamente simples de avaliação de parâmetros críticos no contrôle deste processo. / Abstract: This thesis reports the results of an experimental simulation of the first stage of cooling in the continuous casting of metals. Experiments performed in water-cooled static casting assemblies, with non-ferrous metals,were used to evaluate the thermal, kinetic and structural parameters of this initial step of solidification in the process. The experimental data obtained with two different assemblies, in each case, are compared with the theoretical predictions for the following topics: Kinetics of solidification in the mould, temperature distribuition in the metal-mould system and variation of the secondary dendrite arm spacing. Ingot columnar structure inclination and variation of the overall heath transfer coefficient of the metal-coqling fluid system. These predictions are given by mathematical models and by associations of these models with experimental equacions,in terms of through variables of the continuous casting process. A satisfactory agreement between the correspondent values is found to exist, allowing to consider this simulation as an indirect and relatively simple way to evaluate critical parameters on the control of this process. / Mestrado / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Amauri Garcia / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-04T02:30:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Sa_FernandoAntoniode_D.pdf: 5286579 bytes, checksum: 97afbf6e60cd1ea78b136db807f68a23 (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: Ligas Sn-Pb e Al-Cu foram solidificadas direcionalmente em condições de fluxo de calor transitório, tendo sido determinadas as seguintes variáveis térmicas: coeficiente transitório de transferência de calor metal/molde, taxa de resfriamento à frente da isoterma liquidus e tempo local de solidificação. Os espaçamentos dendríticos terciários são medidos ao longo da seção longitudinal dos lingotes. Observa-se que os espaçamentos dendríticos terciários parecem se iniciar a partir dos braços dendríticos secundários somente quando é alcançada um determinado valor do fator paramétrico (o = fiCo) é alcançado. Tal fator relaciona a taxa de resfriamento com o teor de soluto da liga. Verifica-se que um expoente -0,55 caracteriza a variação do espaçamento terciário com a taxa de resfriamento para qualquer liga hipoeutética examinada. A influência da composição inicial da liga sobre os valores dos espaçamentos dendríticos terciários é também analisada. Propõe-se a inserção de expressões analíticas para cálculo da taxa de resfriamento nas equações experimentais obtidas, permitindo-se estabelecer fórmulas empíricas, correlacionando espaçamentos dendríticos terciários com parâmetros operacionais de solidificação em condições transitórias, tais como: temperatura de superaquecimento_ tipo de molde e coeficiente transitório de transferência de calor metal/molde / Abstract: Solidification thennal variables, i.e., transient metal/mold heat transfer coefficient, tip cooling rate, local solidification time and tertiary dendrite ann spacings have been measured in Sn-Pb and AI-Cu alloys directionally solidified under unsteady-state heat flow conditions. The tertiary anns seem to initiate from the secondary branches on1y when a certain value of a parametric factor (õ = t /Co) relating cooling rate and alloy solute content is attained. It was observed that a - 0.55 power law characterizes the tertiary spacing variation with the cooling rate, for any hypoeutectic a1loy experimentally examined. The influence of initial alloy composition on tertiary dendritic spacing is also analyzed. The insertion of analytical expressions for cooling rate into the resulting experimental equations pennitting to establish empirical fonnulae relating tertiary dendrite spacing with unsteady-state solidification parameters like: melt superheat, type of mold and transient metal/mold heat transfer coefficient is proposed. / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Rezende Gomes dos Santos / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-09T06:44:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Rodrigues_JeanRobertPereira_D.pdf: 8469417 bytes, checksum: c6f621d0fa37a4e40a4c2dfa293171d2 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Em operações industriais de fundição, a possibilidade de implantação de uma diversidade de condições operacionais tem como conseqüência a geração de uma ampla gama de estruturas de solidificação que influencia decisivamente nas características mecânicas e na qualidade do produto final. Foi desenvolvida no presente trabalho, por meio de uma seqüência de experimentos, uma análise comparativa do processo de solidificação unidirecional vertical ascendente, em condições transitórias de fluxo de calor, do alumínio comercialmente puro e das ligas Al-Mg com diferentes composições. Esta análise visa investigar experimentalmente o efeito da composição nos principais parâmetros do processo de solidificação e sua influência nas estruturas de solidificação. Após a obtenção dos lingotes e registradas as variações de temperatura, foram determinados os seguintes parâmetros de solidificação: coeficiente de transferência de calor na interface metal/molde, velocidade de avanço da frente de solidificação, gradiente de temperatura em frente à isoterma liquidus, taxa de resfriamento e tempo local de solidificação. São também analisados aspectos relativos a desvios observados na direção preferencial de crescimento durante a solidificação. A análise das macroestruturas obtidas evidencia que a transição colunar/equiaxial é afetada pelo teor de magnésio. É estabelecida no trabalho a dependência dos espaçamentos interdendríticos em relação aos parâmetros de solidificação. Estes espaçamentos dendríticos experimentais referentes a solidificação das ligas Al com 5, 10 e 15%Mg, são usados para estimar por meio de método heurístico a permeabilidade nos canais interdendríticos e também comparados com alguns modelos teóricos de crescimento dendrítico da literatura / Abstract: In industrial casting operations, the possibility of implantation of a diversity of operational conditions has as consequence the generation of a wide range of solidification structures, affecting the mechanical properties and the quality of the final product. It is developed in the present work, applying a sequence of experiments, a comparative analysis of the vertical unidirectional solidification process, under transient heat flow conditions of aluminum commercially pure and Al-Mg alloys with different compositions. This analysis investigate experimentally the effect of the composition in the main solidification parameters and their influence in the structure formation. After obtaining the ingots and registered the temperature variations, the following solidification parameters were obtained: transiet heat transfer coefficients at metal/mold interface, dendrite tip growth rates, thermal gradients, cooling rates and local solidification time. It was also analysed aspects relative to deviations observed in the growth preferential direction during the solidification. The analysis of the obtained microstructures shows that the structure columnar/equiaxed is affected by the magnesium content. It is established in the work the dependence of the interdendritics arm spacings with the solidification parameters and the results were compared with some theoretical models found in the literature. These experimental dendritics arm spacings referring the solidification of Al with 5, 10 and 15 wt % Mg alloys, are used to estimate, applying a heuristic method, the permeability of the interdendritic channels / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Amauri Garcia / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-04T03:17:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Peres_ManoelDiniz_D.pdf: 9910066 bytes, checksum: 05cb5fd7d671ae9a511052bdddd2835e (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Foi desenvolvida no presente trabalho uma seqüência de experimentos para analisar a solidificação unidirecional vertical em condições transitórias de fluxo de calor de ligas AI-Si hipoeutéticas. Abordagens teóricas e experimentais são desenvolvidas para a determinação quantitativa de variáveis térmicas de solidificação tais como: coeficientes transitórios de transferência de calor metal/molde; velocidades de deslocamento das isotermas liquidus; taxas de resmamento à frente das isotermas liquidus e tempos locais de solidificação. A análise das macroestruturas obtidas mostra que a transição colunar/equiaxial (TCE) ocorre essencialmente à mesma posição a partir da superficie dos lingotes para todas as ligas examinadas experimentalmente. As variáveis térmicas de solidificação são muito similares na TCE, não sendo possível identificar um critério de transição macroestrutural baseado em apenas uma variável em particular. O trabalho analisa também a dependência dos espaçamentos interdendríticos em relação às variáveis térmicas de solidificação e ao teor de soluto da liga. Estes parâmetros dendríticos experimentais referentes à solidificação das ligas AI 3, 5, 7, 9 % Si, são comparados com os principais modelos teóricos de crescimento dendrítico da literatura / Abstract: Experiments were conducted to analyze the upward unsteady state directional solidification of AI-Si hypoeutectic alloys. A combined theoretical and experimental approach is developed to quantitatively determine solidification thermal variables such as: transient metal/mold heat transfer coefficients, tip growth rates, thermal gradients, tip cooling rates and local solidification time. The observation of the macrostructures has shown that the columnar to equiaxed transition (CET) occurred essentially at the same position from the casting surface for any alloy experimentally examined. The solidification thennal variables are very similar at the CET and it is not possible to identify a structural transition criterion based on a particular variable. The work also focuses on the dependence of dendrite ann spacings on the solidification thermal variables and on alloy solute content. The experimental data concerning the solidification of AI 3, 5, 7 and 9 wt % Si alloys are compared with the main predictive dendritic models from the literature / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica

Orientador: Amauri Garcia / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-04T01:43:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Souza_EduardoNettode_D.pdf: 8584004 bytes, checksum: bbd48f6326c1c1f44395428b5c36f8c0 (MD5) Previous issue date: 2004 / Resumo: Nos processos de lingotamento contínuo horizontal e fundição convencional em moldes com geometria cilíndrica, o coeficiente de transferência de calor é variável ao longo do perímetro da geometria em questão, resultando em assimetria estrutural nos produtos brutos de fusão. Para controlar as estruturas de solidificação, além de compreender os mecanismos de fluxo de calor, é necessário determinar os coeficientes de transferência de calor metal/molde dmante o processo de solidificação. Com o auxílio da modelagem matemática desenvolvida por método de diferenças finitas, o presente trabalho correlaciona os parâmetros térmicos do processo com as estruturas de solidificação. O aparato experimental utilizado nos experimentos foi projetado para assegurar um fluxo de calor essencialmente radial unidirecional durante o processo de solidificação com uma lingoteira refrigerada a água em aço ÚlOX, e com a superficie polida no contato com o metal. Os experimentos foram realizados com as ligas Sn-So/oPb, Sn-lSo/oPb e Sn20o/oPb, analisando-se o efeito da temperatura de vazamento do metal liquido no coeficiente de transferência de calor com superaquecimentos de 3% e 20% acima da temperatura liquidus. O método utilizado para determinação do coeficiente de transferência de calor metal/molde (h) é o lliCP (Inverse Heat Conduction Problem), baseado em perfis térmicos experimentais em pontos específicos do lingote em conjunto com o modelo matemático de solidificação. O método consiste em estimar um coeficiente na interface metal/molde a partir do modelo matemático e confrontar com resultados obtidos experimentahnente. Os resultados permitem a determinação de expressões de coeficiente de transferência de calor metal/molde como uma função exponencial em relação ao tempo para diferentes composições e superaquecimentos. Leis experimentais são estabelecidas, descrevendo a posição da isoterma liquidus (Pd e a velocidade da isoterma liquidus (VL) durante o processo de solidificação. Os parâmetros térmicos de solidificação, tais como, a velocidade da isoterma liquidus e taxa de resfriamento são correlacionados com os espaçamentos dendríticos secundários / Abstract: In continuous casting and conventional foundry of horizontal cylinders, the metal/mold heat transfer coefficient is variable along the perimeter of the cross section, generating asymmetrical as-cast structures. To control the structure of cast alloys it is necessary to understand the heat flow mechanisms and to characterize the heat transfer coefficients during solidification. With the aid of a numerical mathematical model developed by using a finite difference method, the present work focuses on the relationships between solidification thermal conditions and as-cast structures. The casting assembly used in solidification experiments was designed to ensure a dominant unidirectional radial heat flow during solidification. A water-cooled stainless steel chill was used, with the heat-extracting surface being polished. Experiments were performed with Sn5wt%Pb, Sn-15wt%Pb and Sn-20wt%Pb alloys. The effect of liquid metal superheat on heat transfer coefficient was also investigated by using two different degrees of superheat: 3% and 20% above the liquidus temperature. The method of determination of metallmold heat transfer coefficient (h) is based on temperature histories at interior points of the casting together with a mathematical model af heat transfer during solidification by solving the IHCP (Inverse Heat Conduction Problem). The inverse problem consists of estimating the boundary heat transfer coefficient at the metal/mold interface ftom measured environment and metal temperatures. The results permit the establishment of expressions of metallmold heat tranSfer coefficients as a power function of time, for different alloy composition and melt superheats. Experimentallaws descnbmg position of liquidus isotherm (PL) and tip growth rate (VL) during solidification have been established. Solidification thermal variables such as tip growth rate and cooling rate are correlated with secondary dendrite arm spacmgs / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador : Amauri Garcia / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-04T03:13:50Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Spinelli_JoseEduardo_D.pdf: 12716637 bytes, checksum: 79131dc23b1f9de6e4d77299eeff6973 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Poucos estudos têm analisado os efeitos da convecção no líquido interdendrítico, bem como a influência da direção de crescimento em relação à gravidade nas variáveis térmicas e estruturais durante a solidificação. Neste trabalho, foi utilizado um dispositivo de solidificação unidirecional vertical descendente, constituído por uma lingoteira de aço inoxidável com diâmetro interno de 60 mm, 157 mm de comprimento e 9 mm de espessura. Na parte superior, foi posicionada uma câmara de refrigeração a água do mesmo material do molde e com espessura útil de 3,0 mm. Após a obtenção dos lingotes e registrados os respectivos perfis térmicos experimentais, foram determinadas as variáveis térmicas de solidificação: coeficiente de transferência de calor metal/molde, velocidades de deslocamento da isoterma liquidus, gradientes térmicos e taxas de resfriamento para a solidificação unidirecional descendente de ligas hipoeutéticas do sistema Sn-Pb (Sn5%Pb, Sn15%Pb e Sn20%Pb). Estas variáveis térmicas são confrontadas com as previsões teóricas de um modelo numérico de solidificação e, em seguida, correlacionadas com os parâmetros estruturais: espaçamentos dendríticos primários, secundários e transição colunar/equiaxial (TCE). Dessa forma, são determinadas equações experimentais de crescimento para a solidificação descendente e verificado um critério de previsão da TCE. Realiza-se também uma análise comparativa dos presentes resultados com aqueles obtidos para solidificação vertical ascendente de ligas de mesma composição. Os resultados comparativos mostram que o efeito convectivo estimula a ocorrência da TCE e ainda é responsável por uma sensível redução dos espaçamentos dendríticos primários. As previsões teóricas de modelos de crescimento dendrítico representativos da literatura são confrontadas com os resultados experimentais / Abstract: Only a few studies have reported influences of interdendritic convection and growth direction on dendrite arm spacings. A downward directional solidification apparatus was used having a stainless steel split mold with an internal diameter of 60 mm, height 157 mm and a 9 mm wall thickness. The upper part of the split mold was closed with a water-cooling chamber made of stainless steel, with a wall thiclmess of 3 mm. A combined theoretical and experimental approach is developed to quantitatively determine the solidification thermal parameters: transient heat transfer coefficients, tip growth rates, thermal gradients and cooling rates during downward unsteady state solidification ofhypoeutectic Sn-Pb alloys. The resulting thermosolutal convection can start in the melt both within the interdendritic region and ahead of the dendrite array. The experimental results have shown that melt convection may be causing pileup of fractioned dendritic arms, which must stimulate the CET occurrence. The results have supported a criterion recently proposed based on a critical tip cooling rate. For upward unidirectional condition this critical value was found to be about 0.014 K/s for hypoeutectic Sn-Pb alloys. In the present study, in conditions of downward solidification, melt convection seems to favor the structural transition, which is anticipated and occurs for a critical cooling rate of about 0.03 K/s, for any of three hypoeutectic alloys experimentally examined. Primary dendritic arm spacings have been affected by the direction of growth, decreasing in conditions of downward vertical solidification when compared with those grown vertically upwards. The main predictive theoretical models for dendritic spacings are compared with the experimental observations / Doutorado / Materiais e Processos de Fabricação / Doutor em Engenharia Mecânica