O presente trabalho apresenta um equipamento para o processamento de reduções carbotérmicas sob campo de micro-ondas, permitindo pleno controle da potência fornecida e da medida da energia de micro-ondas efetivamente aplicada à carga em processo de redução podendo assim realizar balanços de energia e determinação de taxa de reação com altos níveis de confiança. O equipamento permite, sobretudo, a medida simultânea de temperatura e de massa do material sob redução, e a fácil reprodutibilidade das condições de ensaio. O protótipo opera com um gerador de micro-ondas de 2.45 GHz e potência variável até 3000 W. A amostra é mantida sob atmosfera de argônio. Nos testes operacionais do protótipo procedeu-se à redução carbotérmica de minério de ferro de Carajás, utilizando coque de petróleo como redutor através de pelotas esféricas com massa de 3,5 g e diâmetro de 15 mm. Obtiveram-se curvas cinéticas de redução de minério de ferro e de consumo de energia durante o processo. Os dados colhidos com este protótipo permitiram realizar uma análise da energia de micro-ondas efetivamente consumida na redução do minério. / This work presents of a device for microwave enhanced carbothermic reductions which permits the full control of microwave power irradiated, the measurement of effectively applied microwave power to the charge in process thus performing a high confidence determination of rate of reaction and energy balance. In particular, the simultaneous records of its temperature and mass loss, and good reproducibility of operation parameters, are obtainable. This prototype works with a 2.45 GHz microwave generator with variable power up to 3000 W. Samples are processes under argon gas atmosphere. Operational tests for Carajás iron ore reduction with petroleum coke were performed using spherical pellets with weight of 3,5 g and diameter of 15 mm. Kinetic curves of iron ore reduction and effective consumption of microwave power curves were determined. These results made possible to perform an analysis of actual energy consumption for enhanced microwave iron ore carbothermic reduction.

A proposta de desenvolvimento deste trabalho é a utilização da liga de titânio Ti-6Al-4V, que tem como característica principal a facilidade de ser trabalhado, e ótimas propriedades mecânicas, resistente a corrosão, leveza e dureza. Foi estudado o ferramental fresa/pastilha, material e método. Quanto ao método, foi feita toda a descrição da metodologia, desde o corte inicial até a parte de análises física e química. Para a etapa inicial foi retirado o corpo de prova, tendo sido feita a descrição do ferramental utilizado e, durante o processo, onde houve várias tentativas de facilitação do trabalho, acolhendo o melhor resultado. Após as análises químicas, ainda desenvolvendo a parte prática, em uma outra etapa, foram feitos ensaios de usinagem e exploradas todas as possibilidades, tanto do ferramental quanto do material, verificando a melhor possibilidade de trabalho, considerando a taxa de desgaste do equipamento/material e tempo de trabalho. Terminados os ensaios, o material foi submetido a testes de metalografia e microdureza. São apresentados laboratoriais dos testes metalográfica e de microdureza do corpo de prova e os resultados. Quanto ao ferramental, foi feito teste de desgaste de pastilha, por meio de microscopia eletrônica de varredura - MEV, apresentando os resultados. Também foi feito teste de rugosidade de superfície, a fim de verificar o comprometimento da qualidade de acabamento e, consequentemente, possíveis fissuras no material. Numa conclusão geral, o método de trabalho desenvolvido para usinagem de titânio visando à confecção de pequenas peças de reposição na área aeronáutica está dentro dos padrões de norma internacional, tanto de usinagem quanto de segurança.

O presente trabalho apresenta um equipamento para o processamento de reduções carbotérmicas sob campo de micro-ondas, permitindo pleno controle da potência fornecida e da medida da energia de micro-ondas efetivamente aplicada à carga em processo de redução podendo assim realizar balanços de energia e determinação de taxa de reação com altos níveis de confiança. O equipamento permite, sobretudo, a medida simultânea de temperatura e de massa do material sob redução, e a fácil reprodutibilidade das condições de ensaio. O protótipo opera com um gerador de micro-ondas de 2.45 GHz e potência variável até 3000 W. A amostra é mantida sob atmosfera de argônio. Nos testes operacionais do protótipo procedeu-se à redução carbotérmica de minério de ferro de Carajás, utilizando coque de petróleo como redutor através de pelotas esféricas com massa de 3,5 g e diâmetro de 15 mm. Obtiveram-se curvas cinéticas de redução de minério de ferro e de consumo de energia durante o processo. Os dados colhidos com este protótipo permitiram realizar uma análise da energia de micro-ondas efetivamente consumida na redução do minério. / This work presents of a device for microwave enhanced carbothermic reductions which permits the full control of microwave power irradiated, the measurement of effectively applied microwave power to the charge in process thus performing a high confidence determination of rate of reaction and energy balance. In particular, the simultaneous records of its temperature and mass loss, and good reproducibility of operation parameters, are obtainable. This prototype works with a 2.45 GHz microwave generator with variable power up to 3000 W. Samples are processes under argon gas atmosphere. Operational tests for Carajás iron ore reduction with petroleum coke were performed using spherical pellets with weight of 3,5 g and diameter of 15 mm. Kinetic curves of iron ore reduction and effective consumption of microwave power curves were determined. These results made possible to perform an analysis of actual energy consumption for enhanced microwave iron ore carbothermic reduction.

O processo de dissolução da alumina para produção de alumínio primário em condições industriais em cubas de Tecnologia VSS (Vertical Stud Soderberg) com alimentação lateral em batelada é bastante complexo, pois sofre interferência de muitas variáveis de processo como: temperatura e química de banho, propriedades físico-químicas da alumina, concentração inicial de alumina no banho, quantidade de alumina adicionada e massa de banho disponível para dissolução. Um bom controle de adição de alumina e variáveis de processo contribuem para garantia de uma melhor eficiência de corrente, menor consumo de energia e redução da quantidade de lama (alumina não dissolvida) formada que se deposita no fundo das cubas, comprometendo a passagem da corrente elétrica e consequentemente reduzindo a eficiência dos fornos. No presente trabalho foram realizados experimentos para determinação da concentração da alumina, temperatura do banho, temperatura da crosta, altura da cavidade das cubas e caracterização da lama. Os resultados mostram as principais variáveis que influenciam no processo de dissolução da alumina, o comportamento semelhante da concentração da alumina e diferença de temperatura do banho durante os intervalos de alimentação de 2:40 e 4:00 horas, a temperatura de entrada da alumina e as condições de perda de cavidade devido a deposição de lama no fundo das cubas. / The dissolution process of alumina on industrial conditions (side feeding VSS-Vertical Stud Soderberg technology) to aluminum production is very complex, because suffers interference from process variables such as: temperature and bath chemistry, physicochemical properties of alumina, initial alumina concentration in the bath, amount of alumina added and bath mass available. A good control of alumina addition and process variables will contribute to keep good the current efficiency, lower energy consumption and reduction of the amount of sludge (undissolved alumina) formed at the bottom that in the future will compromise the flow of the electric current that will consequently reduce the efficiency of the pots . This work, were carried out experiments to determine alumina concentration, bath temperature, crust temperature, high of the pots and sludge characterization. The results show the main variables that influence the dissolution process, the similar behavior of the alumina concentration, difference of the bath temperature during the feeding intervals of 2:40 and 4:00 hours, the inlet temperature of the alumina and the losses of cavity due the sludge deposition on the bottom.

Com a proposta de selecionar a melhor conformação de um forno para redução carbotérmica com micro-ondas, dois tipos de cavidades com formatos paralepipédico e hexagonal foram projetadas e construídas. Os dois com uma característica em comum, o pleno controle da potência fornecida e da medida da energia de micro-ondas efetivamente aplicada à carga em processo de redução podendo assim realizar balanços de energia e determinação de taxa de reação com altos níveis de confiança. Eles permitem, sobretudo, a medida simultânea de temperatura e de massa do material sob redução, e a fácil reprodutibilidade das condições de ensaio. Os fornos paralepipédico e hexagonal operam com geradores de micro-ondas de 2,45 GHz e potência ajustável até 6 kW. Durante os ensaios as amostras foram mantidas sob atmosfera de argônio. Nos testes operacionais dos fornos procedeu-se à redução carbotérmica de minério de ferro de Carajás, utilizando carvão mineral Chipanga como redutor através de pelotas auto redutoras. Obtiveram-se curvas cinéticas de redução de minério de ferro, temperatura e de consumo de energia durante o processo. Os dados colhidos com estes fornos permitiram realizar análises estatísticas da eficiência de cada tipo de forno através da taxa de reação obtida além da energia de micro-ondas efetivamente consumida na redução do minério. Ainda, foi construído um forno cilíndrico, portanto extrapolando o formato hexagonal, com potência de 15 kW, com o objetivo de averiguar como o conjunto pelotas/cavidade se comporta em condições mais drásticas. / This work deals with two different types of microwave cavities to be used in carbothermic reduction that were designed and built in order to select a better furnace conformation. Parallepipedic and hexagonal shapes were used for this purpose. Both of them share some common characteristics: full control of the power supplied to the furnace, and measurement of the effective microwave power applied to the load under reduction process. These characteristics help to achieve energy balance and reaction rate with high confidence levels. Simultaneous measurements of mass and temperature versus time are also easily done and helps reproduction of each test condition. The parallelepiped and hexagonal ovens are excited by 2.45 GHz microwave generators with adjustable power up to 6 kW. Argon gas atmosphere was used when processing the samples. Operational tests of the carbothermic reduction of iron ore from Carajás were done by the use of self-reducing pellets of Chipanga coal. Temperature and other data collected during the processes allowed calculation of their kinetic curves and energy consumption. The efficiency of each kind of furnace was obtained from statistical analysis of the data using reaction rate as well as the microwave energy consumption. Finally, going further from the hexagonal shape, a cylindrical furnace was built in order to verify the behavior of the pellets/cavity groups in heavier conditions with applied power up to 15 kW.

Em todo momento novas tecnologias são desenvolvidas em diversas áreas de aplicação. Muitas destas novas tecnologias são focadas não só na resolução de problemas específicos, mas também na redução dos impactos causados ao meio ambiente. Os motores com combustão interna são comprovadamente grandes responsáveis por parte da poluição no meio ambiente, por isso são desenvolvidas pesquisas com o objetivo de melhorar seu rendimento e, ao mesmo tempo, reduzir os níveis de poluição gerados pelos mesmos. O ferro fundido vermicular (CGI) utilizado nos blocos de motores diesel é um recente desenvolvimento que permite a obtenção de melhor desempenho associado à menor emissão de poluentes e operação mais silenciosa. Em contra partida, o ferro fundido vermicular têm usinabilidade inferior aos materiais freqüentemente utilizados para esta finalidade. Por este motivo este trabalho foca no fresamento frontal de acabamento no ferro fundido vermicular, analisando tempo de vida de diferentes materiais de ferramentas de corte, como metal duro, cerâmica e CBN, e o acabamento superficial gerado por eles. Entre outros resultados encontrados neste trabalho, conclui-se o metal duro com ângulo de posição maior apresente maior tempo de vida para os parâmetros testados.

A produção mundial de aço inoxidável nos últimos anos teve o maior crescimento dentre os principais metais usados na indústria. É notável a importância dos processos industriais dos aços inoxidáveis devido ao contínuo desenvolvimento desses materiais, em busca de uma melhor qualidade, com menores custos de produção e de forma sustentável. Uma das formas de obtenção do aço inoxidável é através do processo VOD, que consiste em remover o carbono do aço pela a injeção de oxigênio e reduzindo a pressão parcial do gás (CO) através da aplicação de vácuo. A primeira etapa desse processo é o sopro de oxigênio, onde é importante controlar a pressão do sistema de maneira a promover a menor oxidação do cromo sem ocorrência de transbordamentos de aço e excesso de \"splash\". Atualmente, existem diversas práticas de operação no VOD em que se tem uma redução contínua da pressão de vácuo em conjunto com alterações de outras variáveis durante o sopro de oxigênio, de forma a controlar a reação de descarburação sem perder em excesso, o cromo. O objetivo desse trabalho foi encontrar o tempo de sopro de oxigênio em função do carbono inicial para cada corrida, a partir do qual seja possível reduzir a pressão de vácuo sem causar danos ao processo. Isso porque a geometria da panela e o teor de carbono inicial empregados na Villares Metals S.A. possuem características distintas em comparação com outras plantas, que faz com que seu processo de descarburação seja singular. Nos resultados obtidos é possível confirmar que, operando com pressões de vácuo mais baixas durante o sopro de oxigênio, pode-se evitar perdas desnecessárias de cromo. Além disso, a relação encontrada entre o tempo de sopro e o carbono inicial através de uma equação cinética, pode ser utilizada na determinação do tempo aproximado para redução da pressão de vácuo para cada corrida. Assim se terá uma operação de descarburação mais eficiente em relação à oxidação dos elementos de liga e redução do consumo de oxigênio, de redutores e do tempo de processo, com segurança e economia. / The stainless steel melt shop production growth in the last years was the biggest comparing to the other important metals in the industry. It is noticeable the importance of the stainless industrial process due to its continuous development in order to seek better quality with lower costs and sustainable methods. One of the possibilities to produce stainless is by VOD process, which consists to remove the carbon content by oxygen injection and reducing the partial pressure of (CO) gas through vacuum application. Oxygen blowing is the first step of this process, where it is important to control the chamber pressure in order to avoid the chromium oxidation without steel overflow and excessive splash during process. Currently, different operation practices in the VOD have been applied reducing continuously the vacuum pressure simultaneously with other parameters during oxygen blowing, in the interest of controlling the decarburization reaction avoiding the loss of chromium. The objective of this study was to find the oxygen blowing time according to the initial carbon content for each heat, from which it is possible to reduce the vacuum pressure avoiding damages to the process. The reason of this is due to the ladle geometry and the initial carbon content applied on the Villares Metals process have special characteristics comparing to other plants, which make its process singular. On the results achieved, it is possible to confirm that, operating in lower vacuum pressure during oxygen blowing, it is possible to avoid unnecessary chromium losses. Moreover, the ratio found out between the blowing time and the initial carbon content through a kinetic equation, can be applied to determine the estimated time to reduce the vacuum pressure for each heat. Therefore, the decarburization process will be more efficient according to the alloy oxidation and save the oxygen consumption, deoxidizers and process time, with safe and reducing cost.

O preenchimento dos atuais requisitos industriais para as propriedades das ligas Al-Si exige o controle dos processos de fundição e o conhecimento das relações entre as variáveis de processo e as propriedades finais desejadas. Sabe-se que as propriedades finais dependem fortemente da macroestrutura, especificamente da forma e tamanho dos grãos e da distribuição de porosidade. Embora se conheça a importância do estudo da formação da macroestrutura bruta de solidificação, existem diversos aspectos que foram pouco estudados. O presente trabalho tem como objetivo principal estudar o efeito da adição de inoculante na macroestrutura de grãos, particularmente na transição colunar-equiaxial, formada durante a solidificação unidirecional das ligas Al-3%Si e Al-7%Si. Foram realizados diversos ensaios de solidificação unidirecional ascendente em um forno de aquecimento resistivo adicionando-se diferentes quantidades de inoculante na forma de uma liga-mãe comercial de composição nominal Al-3%Ti-1%B. A solidificação unidirecional foi realizada num cadinho de aço inoxidável com base refrigerada a água e com topo e paredes laterais isolados termicamente. A macroestrutura da seção longitudinal dos lingotes obtidos foi revelada e parâmetros térmicos foram calculados a partir de curvas de resfriamento coletadas por termopares posicionados no interior do cadinho durante a solidificação. O aumento da quantidade de inoculante adicionada resultou em um conjunto de lingotes que apresentaram macroestruturas compostas quase completamente de grãos colunares até estruturas completamente equiaxiais. Sem a adição de inoculante, as macroestruturas mostraram uma transição colunar-equiaxial que não ocorre abruptamente, ao passo que a adição de inoculante resultou no aparecimento de uma região mista contendo simultaneamente grãos colunares e equiaxiais. O aparecimento desta região mista e a diminuição do tamanho dos grãos equiaxiais ocorreram na liga Al-7%Si para maiores quantidades de inoculante do que na liga Al-3%Si. / The development of various industrial sectors, such as the automotive and the aerospace industry, demand premium aluminum castings with strict control of mechanical properties. To fulfill these requirements, the control of solidification processes and the knowledge of relations between the processing variables and the casting properties are necessary. The mechanical properties of a cast part depend strongly on its macrostructure, which are directly related to the grain size and distribution of porosity. Although the study of the macrostructure formation is important to establish the relationship between processing variables and properties, some important effects were not studied thoroughly. The main objective of the present work is to study the effect of inoculant addition on the grain macrostructure, particularly the columnar-to-equiaxial transition, of Al-3%Si and Al-7%Si alloys solidified directionally. Several experiments of directional upwards solidification have been carried out in a electric resistance furnace. Different contents of a master-alloy (Al-3%Ti-1%Ti) traditionally used for grain refining in the aluminum industry were added to the melt before solidification. The directional solidification occurred in a stainless steel crucible with a water-cooled base and with lateral walls and top with thermal insulation. The macrostructures of the longitudinal section of ingots were revealed and thermal parameters, such as isotherm velocity and temperature gradients were calculated from the cooling curves measured during solidification by thermocouples inserted within the crucible. An increase in the inoculant addition resulted in a series of different ingot macrostructures that ranged from completely columnar to completely equiaxed grain structures. Without inoculant addition, the columnar-to-equiaxed transition region was abrupt, whereas the addition of inoculant gave rise to a mixed structure of columnar and equiaxed grains. The amount of inoculant that had to be added to the Al-7%Si to cause this mixed structure and decrease the equiaxed grain size was nearly one order o magnitude larger than the amount of inoculant added to the Al-3%Si alloy.

O preenchimento dos atuais requisitos industriais para as propriedades das ligas Al-Si exige o controle dos processos de fundição e o conhecimento das relações entre as variáveis de processo e as propriedades finais desejadas. Sabe-se que as propriedades finais dependem fortemente da macroestrutura, especificamente da forma e tamanho dos grãos e da distribuição de porosidade. Embora se conheça a importância do estudo da formação da macroestrutura bruta de solidificação, existem diversos aspectos que foram pouco estudados. O presente trabalho tem como objetivo principal estudar o efeito da adição de inoculante na macroestrutura de grãos, particularmente na transição colunar-equiaxial, formada durante a solidificação unidirecional das ligas Al-3%Si e Al-7%Si. Foram realizados diversos ensaios de solidificação unidirecional ascendente em um forno de aquecimento resistivo adicionando-se diferentes quantidades de inoculante na forma de uma liga-mãe comercial de composição nominal Al-3%Ti-1%B. A solidificação unidirecional foi realizada num cadinho de aço inoxidável com base refrigerada a água e com topo e paredes laterais isolados termicamente. A macroestrutura da seção longitudinal dos lingotes obtidos foi revelada e parâmetros térmicos foram calculados a partir de curvas de resfriamento coletadas por termopares posicionados no interior do cadinho durante a solidificação. O aumento da quantidade de inoculante adicionada resultou em um conjunto de lingotes que apresentaram macroestruturas compostas quase completamente de grãos colunares até estruturas completamente equiaxiais. Sem a adição de inoculante, as macroestruturas mostraram uma transição colunar-equiaxial que não ocorre abruptamente, ao passo que a adição de inoculante resultou no aparecimento de uma região mista contendo simultaneamente grãos colunares e equiaxiais. O aparecimento desta região mista e a diminuição do tamanho dos grãos equiaxiais ocorreram na liga Al-7%Si para maiores quantidades de inoculante do que na liga Al-3%Si. / The development of various industrial sectors, such as the automotive and the aerospace industry, demand premium aluminum castings with strict control of mechanical properties. To fulfill these requirements, the control of solidification processes and the knowledge of relations between the processing variables and the casting properties are necessary. The mechanical properties of a cast part depend strongly on its macrostructure, which are directly related to the grain size and distribution of porosity. Although the study of the macrostructure formation is important to establish the relationship between processing variables and properties, some important effects were not studied thoroughly. The main objective of the present work is to study the effect of inoculant addition on the grain macrostructure, particularly the columnar-to-equiaxial transition, of Al-3%Si and Al-7%Si alloys solidified directionally. Several experiments of directional upwards solidification have been carried out in a electric resistance furnace. Different contents of a master-alloy (Al-3%Ti-1%Ti) traditionally used for grain refining in the aluminum industry were added to the melt before solidification. The directional solidification occurred in a stainless steel crucible with a water-cooled base and with lateral walls and top with thermal insulation. The macrostructures of the longitudinal section of ingots were revealed and thermal parameters, such as isotherm velocity and temperature gradients were calculated from the cooling curves measured during solidification by thermocouples inserted within the crucible. An increase in the inoculant addition resulted in a series of different ingot macrostructures that ranged from completely columnar to completely equiaxed grain structures. Without inoculant addition, the columnar-to-equiaxed transition region was abrupt, whereas the addition of inoculant gave rise to a mixed structure of columnar and equiaxed grains. The amount of inoculant that had to be added to the Al-7%Si to cause this mixed structure and decrease the equiaxed grain size was nearly one order o magnitude larger than the amount of inoculant added to the Al-3%Si alloy.

Com a proposta de selecionar a melhor conformação de um forno para redução carbotérmica com micro-ondas, dois tipos de cavidades com formatos paralepipédico e hexagonal foram projetadas e construídas. Os dois com uma característica em comum, o pleno controle da potência fornecida e da medida da energia de micro-ondas efetivamente aplicada à carga em processo de redução podendo assim realizar balanços de energia e determinação de taxa de reação com altos níveis de confiança. Eles permitem, sobretudo, a medida simultânea de temperatura e de massa do material sob redução, e a fácil reprodutibilidade das condições de ensaio. Os fornos paralepipédico e hexagonal operam com geradores de micro-ondas de 2,45 GHz e potência ajustável até 6 kW. Durante os ensaios as amostras foram mantidas sob atmosfera de argônio. Nos testes operacionais dos fornos procedeu-se à redução carbotérmica de minério de ferro de Carajás, utilizando carvão mineral Chipanga como redutor através de pelotas auto redutoras. Obtiveram-se curvas cinéticas de redução de minério de ferro, temperatura e de consumo de energia durante o processo. Os dados colhidos com estes fornos permitiram realizar análises estatísticas da eficiência de cada tipo de forno através da taxa de reação obtida além da energia de micro-ondas efetivamente consumida na redução do minério. Ainda, foi construído um forno cilíndrico, portanto extrapolando o formato hexagonal, com potência de 15 kW, com o objetivo de averiguar como o conjunto pelotas/cavidade se comporta em condições mais drásticas. / This work deals with two different types of microwave cavities to be used in carbothermic reduction that were designed and built in order to select a better furnace conformation. Parallepipedic and hexagonal shapes were used for this purpose. Both of them share some common characteristics: full control of the power supplied to the furnace, and measurement of the effective microwave power applied to the load under reduction process. These characteristics help to achieve energy balance and reaction rate with high confidence levels. Simultaneous measurements of mass and temperature versus time are also easily done and helps reproduction of each test condition. The parallelepiped and hexagonal ovens are excited by 2.45 GHz microwave generators with adjustable power up to 6 kW. Argon gas atmosphere was used when processing the samples. Operational tests of the carbothermic reduction of iron ore from Carajás were done by the use of self-reducing pellets of Chipanga coal. Temperature and other data collected during the processes allowed calculation of their kinetic curves and energy consumption. The efficiency of each kind of furnace was obtained from statistical analysis of the data using reaction rate as well as the microwave energy consumption. Finally, going further from the hexagonal shape, a cylindrical furnace was built in order to verify the behavior of the pellets/cavity groups in heavier conditions with applied power up to 15 kW.