processamento e manufatura de metais 1

Processamento e Manufatura de Metais 1

Prof. Dr. Lucas Freitas BertiEngenharia de Materiais - UTFPR

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1

Aula 7

Nucleação

29/05/2013


Presença

Cobrança da presença

3


Sumário da aula

Alto-forno;

Conversores;

Ligotamento contínuo.

4

Ementa


Coqueificação

5

Planta de coqueificação

▫ vídeo

videos/CST Coqueria - YouTube.flv


Alto-forno

6


Alto-forno

7

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.


Alto-forno

8

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).


Alto-forno

9

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.


Alto-forno

10

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.


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

Zona

de Coque

Estagnado

Alto-forno

11

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.


Alto-forno

12

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, 2006. 646 p. : CD-ROM ISBN 8521203829

videos/Altos fornos - YouTube.flv


Alto-forno

13

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, 2006. 646 p. : CD-ROM ISBN 8521203829


Alto-forno

Reator químico que envolve três fases em

contracorrente de gás.

▫ Permeabilidade (importante fator)

14


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


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


Alto-forno

17


Alto-forno

18


Alto-forno

19


Alto-forno

20


Alto-forno

21


Alto-forno

22

Acomodação da carga

▫ vídeo

videos/Arreamento de carga no Alto forno CSA em Novembro e 2011 - YouTube.flv


CST

23

Obras de expansão

▫ vídeo

videos/CST Ciderugica Expansao - YouTube.flv


Laminação

24

LTQ

▫ vídeo

videos/CST LAMINAÇÃO - YouTube.flv


Lingotamento

25


Lingotamento

26


Ligotamento contínuo

27

LTQ

▫ vídeo

videos/Lingotamento-Internet - YouTube.flv


Lingotamento contínuo

28


Produção aço

29

Vários processos

▫ vídeo

videos/PROCESSO DE PRODUÇÃO DO AÇO - YouTube.flv


Conversores

30

Tipos de conversores

▫ LD (BOF)

▫ Q-BOP (sopro sub)


Conversores

31

LD (BOF)

▫ Linz-Donawitz ou

Basic Oxygen Furnace

Sopro por cima


Conversores

Q-BOP (sopro submerso)

▫ Agita mais vigorosamente o metal

32


Conversores

33


Conversores

34


Conversores

35


Conversores

36

Carregamento com o

gusa

▫ vídeo

videos/Carregamento de gusa - usiminas - YouTube.flv


Conversores

37

Vários processos

▫ vídeo

videos/STEEL PRODUCTION PROCESS - Basic Oxygen Furnace(Relau Asas oksigen) - YouTube2.flv


Aciaria

38

Refino e conformação

do aço

▫ vídeo

videos/CST ACIARIA - YouTube.flv


Siderurgia completa

39

AK steel

▫ vídeo

videos/Making Steel - YouTube.flv


Forno elétrico

40


Desenvolvimentos

41


Solidificação

42


Solidificação

43


Solidificação

44


Sumário aula

Nucleação.

45

Ementa


Nucleação

Nucleação homogênea

Nucleação heterogênea

46


Nucleação

47


▫ Sem a presença de

meios “auxiliares”


Nucleação

48


▫ Superfícies;

▫ Inclusões;

▫ Meios que auxiliam a

nucleação


Nucleação

49

L

G2=G1+ΔG

S

↓ΔT

L

G1


50

Nucleação

L

G2=G1+ΔG

↓ΔT

L

G1



51



52



53



54



55



56

ΔGhom=4πr³ΔGv/3+4πr²γsl

r*=-2γsl/ΔGv

ΔG*=16πγ³/3ΔGv²

ΔG= ΔH-TΔS=0 ΔS= Hls/Tm em Tm

ΔG=Hls+THls/Tm ΔG=HlsΔT/Tm

r*=-2γslTm/HlsΔT



57

r*=-2γslTm/HlsΔT



58



59



60



61

ΔGhet=-Vs ΔGv+ASL γSL+ASM γSM -ASM γML



62

ΔGhet=-VsΔGv+ASLγSL+ASMγSM-ASMγML

ASL= 2πr²(1-cosθ);

ASM= πr²sen²θ;

Vs =πr³(2+cosθ)(1-cosθ)²/3

(2-3cosθ+ cos³θ)=(2+cosθ)(1- cosθ)²

Provar que

ΔGhet= ΔGhomf(θ).



63

f(θ)=1/4(2-3cosθ+cos³θ)

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

0,00

0,25

0,50

0,75

1,00

f()

Ângulo (°)

f()


Homogênea vs heterogênea

64



65



66


Solidificação

67


Solidificação

68


Solidificação

69


Solidificação

70

Falta de

homogeneização

composicional do

sólido;

Sólido “zonado”,

(zonado);


Solidificação

71


Solidificação

72


Solidificação

73

A morfologia depende

da taxa de resfriamento

e do superesfriamento


Solidificação

74


Solidificação

75

Regiões de

segregação em uma

ligoteira


Solidificação

76


Solidificação

77


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

Fundição

ASPECTOS GERAIS SOBRE SOLIDIFICAÇÃO


79

Fundição


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


80

Fundição


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

100.000.000.000.000.000.000x

(cem quinqualhões de vezes)


81

Fundição


Na solidificação de um metal tem-se a formação de,

geralmente, vários núcleos cristalinos envolvidos

em um líquido que possui natureza amorfa.


82

Fundição


Núcleo atomicamente

ordenado (cristal)

Líquido atomicamente

desordenado (amorfo)

Liq.

Liq. Liquido

+

Sólido Sólido

T (ºC)

TfΔT

Subresfriamento


83

Fundição


Nucleação Homogênea – o núcleo sólido “nasce”

totalmente a partir do líquido

Nucleação Heterogênea – o núcleo sólido “nasce” em

contato com uma superfície sólida


84

Fundição



▫ Na nucleação homogênea é necessário um

subresfriamento térmico para se estabilizar um ou

mais núcleos e então a partir dele(s) ocorrer

a solidificação


85

Fundição


Subresfriamento necessário para nucleação

homogênea de alguns materiais

Material Pb Ag Cu Ni Fe H2O

Temp. de Fusão (oC) 327 962 1085 1453 1536 0

Subresfriamento (oC) 80 250 236 480 420 40


86

Fundição


Crescimento da fase sólida – Uniforme

Sólido


87

Fundição


Crescimento da fase sólida – Colunar

Sólido


88

Fundição


Crescimento da fase sólida –

Dendrítico

Sólido

Dendritas


89

Fundição


Crescimento da fase sólida metal puro

Sólido + líquido Sólido + líquido Sólido + líquido 100% sólido


90

Fundição


Aluminio super-puro

Revela microestrutura de grãos alfa equiaxiais

Fonte: G.F Van der Voort. Microstructre of nonferrous alloys (2002)


91

Fundição


Liga de alumínio 1100 (>99%Al)

Revela microestrutura de solidificação dendrítica



92

Fundição


Crescimento da fase sólida ligas

Liga de alumínio 3105 (Al – 0.55% Mn – 0.5% Mg)

Revela precipitados intermetálicos formados no estágio final da fusão



93

Fundição


Crescimento da fase sólida ligas

Liga de alumínio hipoeutética (Al – 11.8% Si)

Dendritas alfa e um eutético alfa-Si.



94

Fundição


Material metálico no

estado líquido a uma

temperatura acima da

temperatura de

solidificação

Atingindo-se a temperatura de

solidificação, tem-se o

surgimento de núcleos

nas paredes do molde


Núcleos

Devido ao forte subresfriamento

formam-se vários núcleos

heterogêneos em contato com a

superfície do molde gerando

grãos pequenos e equiaxiais

Grãos coquilhados

Após a formação da região

coquilhada o material se

solidifica sob a ação de um

pequeno subresfriamento

crescendo segundo a direção

da extração de calor


Grãos colunares

Após a formação da região de

grãos colunares o material se

solidifica formando grãos

grandes equiaxiais

Grãos equiaxiais


95

Fundição


Desenvolvimento da macroestrutura da solidificação


96

Fundição



Região Coquilhada Grãos colunares

Grãos

Equiaxiais


97

Fundição



Pode-se obter macroestruturas diversas fazendo-se o controle adequado do processo


98

Fundição



▫ Para a grande maioria das aplicações dos metais

busca-se otimizar as propriedades mecânicas

e tecnológicas através de uma microestrutura

de grãos refinados.


99

Fundição



▫ 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


100

Fundição



▫ 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


101

Fundição



▫ Favorece o surgimento de maior número de núcleos.

Dependendo de sua dispersão, reduz o efeito da

formação de macroestrutura de fundição


102

Fundição



▫ Utilizando inoculantes aço ferrítico (Fe-Si)

sem com


Próxima aula

103

Lista de exercícios

1ª Avaliação

processamento e manufatura de metais 1

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