Canais de Enchimento FORMULAS

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Disciplina: Processos de Fabricação Parte 2: Fundição Professor: Guilherme O. Verran Dr. Eng. Metalúrgica Aula 04 – Escoamento de metais líquidos – Canais de Enchimento 1. Introdução 2. Elementos dos Sistemas de Canais Relações de Escalonamento (relações de áreas) Sistemas Pressurizados e Sistemas Despressurizados. Bacia de Vazamento. Canal de Descida. Canais de Distribuição e Ataque. Posicionamento dos Ataques com Relação ao Canal de Distribuição. Sistemas Verticais de Enchimento. 3. Projeto dos sistemas de canais de enchimento Equações Fundamentais. - Determinação do Tempo de Enchimento da Peça. Determinação da Velocidade Método da Seção de Choque. Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Escoamento de Metais em Canais. Turbulência e número de Reynolds. Lei da Continuidade. Perda de Cargas. Coeficiente de Perda de Cargas. 1 2 3 4 5 6 7 Sistemas de Canais 1 . Bacia de Vazamento 2 . Descida 3 . Distribuição 4 . Retenção de Escória 5 . Ataque 6 . Ventilação 7 . Massalote Processos de Fabricação – Parte 2: Fundição Aula 04: Escoamento de Metais Líquidos-Canais de Enchimento Prof. Dr. Guilherme Verran

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Disciplina: Processos de Fabricação Parte 2: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran Dr. Eng. Metalúrgica

Aula 04 – Escoamento de metais líquidos – Canais de Enchimento

1. Introdução

2. Elementos dos Sistemas de CanaisRelações de Escalonamento (relações de áreas)Sistemas Pressurizados e Sistemas Despressurizados.Bacia de Vazamento.Canal de Descida.Canais de Distribuição e Ataque.Posicionamento dos Ataques com Relação ao Canal de Distribuição.Sistemas Verticais de Enchimento.

3. Projeto dos sistemas de canais de enchimentoEquações Fundamentais.

- Determinação do Tempo de Enchimento da Peça.- Determinação da Velocidade

Método da Seção de Choque.

- Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Escoamento de Metais em Canais.o Turbulência e número de Reynolds.o Lei da Continuidade.o Perda de Cargas.o Coeficiente de Perda de Cargas.

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Sistemas de Canais

1 . Bacia de Vazamento

2 . Descida 3 . Distribuição 4 . Retenção de Escória

5 . Ataque 6 . Ventilação 7 . Massalote

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Bacia de Vazamento

Canal de Descida

Peça

Canais de Ataque

Canais de Distribuição

Extensão do Canal de Distribuição

Pé do Canal de Descida

Componentes Básicos de um Sistema de Canais de

Enchimento

Molde com Apartação Horizontal

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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais

1. Turbulência e Número de Reynolds

Re = (v.d) / υv = velocidade do fluídod = diâmetro hidráulico do canal υ = viscosidade cinemática do líquido

υ = µ / δ cm2. 10-2 / s C.G.S.

µ = viscosidade dinâmica (centipoise)

δ = densidade do líquido (g/cm3)

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Valores de Viscosidade Cinemática para alguns Líquidos

S = 5000,1/1,5Ligas Metálicas200,115Mercúrio6800,80Magnésio4000,22Chumbo

13001,50Fe – 3,4% C15001,10Fe - 0,75%C16000,89Ferro12000,40Cobre13000,40F0F0 Branco

13000,45F0F0 Cinzento7001,27Alumínio201,00Água

Temperatura( 0 C )

Viscosidade Cinemática(cm2 . 10-2/s)

Líquido

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Fluxo LaminarRe < 2000

Fluxo Turbulento

2000 ≤Re ≤ 20000

Fluxo SeveramenteTurbulentoRe ≥ 20000

Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais

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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais

Fluxo de Metal na maioria dos casos Reais em Fundição ⇒ Turbulento

Critério no Cálculo de Canais de Enchimento

⇒ Manutenção de Re < 20.000

Consequência Prática ⇒

Para Re < 20.000 a turbulência é mais interna ao fluxo, com uma fina camada junto à parede

⇓Evita-se a quebra da camada de óxido formada na

superfície do líquido e sua introdução no seio do líquido

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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais

2 . Lei da Continuidade

Em um canal fechado completamente cheio, a vazão é constante, independentemente de variações locais da velocidade ou da área transversal

Q = v1. A1 = v2 . A2

v1 e v2 = velocidades no pontos 1 e 2 (cm/s)

A1 e A2 = áreas da seções transversais nos pontos 1 e 2 (cm2)

Q = vazão do líquido em todos os pontos do canal (cm3/s)

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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais

3 . Perdas de Carga

Em todo o Sistema Real

Ocorrência de perda por atrito decorrentes da interação entre as paredes dos canais e o líquido que possui certa viscosidade.

Perdas localizadas devido às mudançasde direção e dimensões dos canais

Em Fluxos Turbulentos ⇒

Perdas adicionais devidos às características do fluxo

⇒Efeitos de atrito internos à massa líquida

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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais

Situações de Perda Localizada por Variação de Seção

⇓Ocorrência de Desligamento

entre o fluxo e as paredes

⇓Aparecimento de regiões de

“baixa pressão”

Conseqüência Prática: aspiração de ar e gases resultando em defeitos.

Zonas com Desligamento

de Fluxo

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Representação esquemática mostrando a formação de áreas de ¨baixa pressão¨ devido a variações abruptas na seção transversal de um conduto

Aumento de seção

Redução de seção

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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais

Situações de Perda Localizada por Mudança de Direção

⇓Ocorrência de Desligamento

entre o fluxo e as paredes

⇓Aparecimento de regiões de

“baixa pressão”

Conseqüência Prática: aspiração de ar e gases resultando em defeitos.

⇓Zonas com Desligamento

de Fluxo

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Esquema mostrando o fluxo de um fluído com mudança na direção do fluxo.

(a) Turbulência devido a presença de canto vivo

(b) Aspiração de ar devido a presença de canto vivo

(c) Uso de arredondamentos minimizando a turbulência e a aspiração de ar.

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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais

Considerando-se as perdas por atrito, o cálculo da velocidade em algumas seções de área A, no sistema fica:

v = √ 2. g. h . 1/ (√ 1 + Kn (A / An)2

α = coeficiente global de perdas

Kn = coeficiente tabelado

A = área do ponto onde ser quer a velocidade

An = áreas de perda

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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais

Coeficientes de Perda sugeridos por Wallace e Evans

CoeficienteEntrada da Bacia para o Canal de Descida

Sem Concordância

Com Concordância

0,75

0,20

Tipo de Perda

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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais

Coeficientes de Perda sugeridos por Wallace e Evans

CoeficienteJunção Descida/Distribuição

2,0

1,5

Tipo de Perda

Sem Concordância -

Com Concordância -

Sem Concordância -

Com Concordância -

1,5

1,0

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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais

Coeficientes de Perda sugeridos por Wallace e EvansTipo de Perda

Junção em I

Coeficiente

2,0

Junção Distribuição/Ataque

Sem Concordância

Com Concordância

2,0

0,5

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Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo de Metais em Canais

Coeficientes de Perda sugeridos por Wallace e Evans

Perdas por FricçãoCoeficiente

Canais Redondos -

Canais Quadrados -

Canais Retangulares -

0,02 L/D

0,06 L/Dh

0,07 L/Dh

L = ComprimentoD = Diâmetro

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Coeficientes Globais de Perda sugeridos por Wallace e Evans para Sistemas Despressurizados

0,700,8502 Canais de Distribuição,com vários ataques, mudanças de direção de 900 no canal

0,730,9002 Canais de Distribuição,com vários ataques, sem mudança de direção no canal

0,730,9001 Canal de Distribuição

Canal de Descida Reto e

Estrangulamento na Distribuição

Canal de Descida Afunilad

o

Tipos de

Sistemas

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ELEMENTOS DOS SISTEMAS DE CANAIS

Relações de Áreas

Sistemas Pressurizados ⇒A seção menor

corresponde aos Ataques

Sistemas Despressurizados

⇒A seção menor corresponde ao

Canal de Descida

Idéia Básica ⇒

Aumentar ou diminuir a velocidade do fluxo a partir da diminuição ou aumento das áreas

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Relação de Áreas (Escalonamento)

• Indica a proporção de área dos três componentes básicos do sistema

Área DescidaÁrea Descida

: Área DistribuiçãoÁrea Descida

Área AtaqueÁrea Descida:

1 : A1 A2:

Sistemas Pressurizados

A2 < 1⇒

Sistemas Despressurizados ⇒ A2 > 1

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Vantagens dos Sistemas Pressurizados

• Sistemas Mais Leves ⇒Maior Rendimento

Metálico

• Sistemas é forçado a trabalhar cheio

⇒Favorece fluxo

uniforme e separação de inclusões de

escórias e areias

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Desvantagens dos Sistemas Pressurizados

Aumento da Velocidade do

Fluxo

↑ Perigo de erosão do molde

Provoca forte turbulência na entrada do jato de metal na cavidade da peça.

Favorecimento à oxidação e formação de drosses.

Aspiração de gases e ar em mudanças de seção e de direção

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Sistemas Despressurizados

• Indicados para ligas muito oxidáveis

Desvantagens dos Sistemas Despressurizados

• Possibilidade de aspiração de ar nos alargamentos de seção.

• Possibilidade de preenchimento incompleto dos canais.

• Menor Rendimento Metálico

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Bacia de Vazamento

Vantagens da utilização de bacias de vazamento:

• Estabelece um fluxo mais regular, menos dependente do vazador.

• Favorece a retenção de inclusões.

• Dificulta a entrada de ar junto com o fluxo de metal.

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Seção longitudinal “Ideal” para uma Bacia de Vazamento

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Idéias Básicas para o Projeto e Uso de Bacias

. Fundo plano e seção retangular de modo a reduzir a agitação do metal vazado da panela e impedir a formação de vórtices (copos de vazamento cônicos)

• A altura na bacia deve ser mantida em nível suficiente para evitar turbulência e aspiração de ar.

• A entrada do canal de descida deve ser arredondada para evitar turbulência e aspiração de ar

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Canal de Descida

⇒Velocidade adquirida por um fluxo de metal em um canal de descida.

h = distância a partir do nível do metal na bacia de vazamento

⇓Quanto mais o fluxo desce, maior será a sua velocidade,

como a vazão ao longo do canal é constante.

⇓Necessidade de redução progressiva na área

da seção transversal

V = 2.g.h . α

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Conicidade Ideal do Canal

de Descida⇒

Ax = ( h / x ) . An

Caso não se altere a área da seção transversal, tem-se turbulência e aspiração de ar

xh

Ah

Ax

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Depressão e aspiração

de ar

Representação esquemática mostrando, (a) Fluxo natural de um fluído livre, (b) Aspiração de ar induzida pelo fluxo de líquido em um conduto com paredes retas, (c) fluxo de líquido em um condutocônico.

(a) (b) (c)

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Recursos a serem utilizados quando não é possível reduzir a seção do canal de descida

Uso de macho estrangulador

Estreitamento no início do canal de distribuição

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Seção Transversal

Canal de Descida

⇒Seções quadradas ou retangulares são melhores do que seções circulares no sentido de evitar a formação de vórtices.

Sistemas Pressurizados

As ≥ Ac . H / h

Ac = Área dos Ataques

As = Área da Descida

As Ac

h

H

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Canais de Distribuição e Ataque

Aspecto mais Importante ⇒

Distribuição de Fluxo pelos diversos Ataques

Fatores que influem na Distribuição do Fluxo :

• Relação de áreas (Aa)

• Posicionamento do Canal de Descida

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A B C D

Relação de

Áreas

Taxa de

Fluxo

0

0,25

0,50

1

2

3

4

1,00

2,00

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A B C D

Relação de

Áreas

Taxa de

Fluxo

0,25

0,50

1,00

2,00

0

1

2

3

4

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Posicionamento dos Ataques em Relação ao Canal de Distribuição

Localização dos Ataques na Parte Inferior do Canal de Distribuição ⇒ Sistemas

Pressurizados

Localização dos Ataques na Parte Superior do Canal de Distribuição ⇒ Sistemas

Despressurizados

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Sistemas Verticais de Canais de Enchimento

Sistema Simples Má distribuição de Fluxo

Maior parte do metal passa pelo canal inferior.

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Sistemas Verticais de Canais de Enchimento

Sistema com Angulo

Diminui a Energia Cinética

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Sistema com Canal de Distribuição Invertido

Sistemas Verticais de Canais de Enchimento

Equalização do fluxo através dos canais de ataque

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Sistemas Verticais de Canais de Enchimento

Ataque de baixo para cima, permitindo um preenchimento maisbrando da cavidade da peça (com mínima turbulência)

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Dimensionamento do Sistema de Canais

Todo o cálculo de dimensões dos sistemas de canais baseia-se nas equações:

VAZÃO = VOLUME TEMPO

VOLUME = MASSA RDENSIDADE

e

VAZÃO = VELOCIDADE X ÁREA

Portanto:

ÁREA = MASSA /(DENSIDADE X VELOCIDADE X TEMPO)

(Equação 01)

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Determinação do Tempo de Enchimento da Peça

Wallace e Evans Ferros Fundidos CinzentosAFS⇒ ⇒

t = Kf ( 1,4 + 0,7144 . e ) . m x 10-3 (Equação 02)

t = tempo (s)e = espessura (cm)

m = massa (g)

Kf = F / 40 F = Fluidez (cm)

⇓Tabelada em função da composição

e do grau de superaquecimento

Obs. : para peças acima de 450 Kg recomenda-se substituir m x 10-3 por 3 m x 10-3 na equação 2.

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Determinação da Velocidade

Conforme visto anteriormente:

v = 2 . g . h . α

• Como a altura efetiva em cada momento do preenchimento é diferente, pois o líquido acima do plano de distribuição e ataque exerce uma contrapressão, usa-se a velocidade média a partir do nível do ataque:

Vm = 2 . g . ( 1 + 1 – ho / h1) . h12

(Equação 03)

h1 = altura total disponível no sistema

h0 = altura da peça acima do nível do ataque

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Velocidade da menor seção do

sistema em função da altura disponível (h1) e da altura da

peça acima do nível dos ataques (h0)

500

400

300

200

100

0

Vel

ocid

ade

de e

nchi

men

to

(cm

/s)

Altura de vazamento (mm)200 400 600 8000

ho

00,2 h10,4 h1

0,6 h1

0,8 h1

h1h0 = 0 h1h0

h1h0

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Método da Seção de Choque Elementos que precisam ser discriminados:

1- altura do canal de entrada (ou de descida) → H (cm)2- altura da peça → C (cm)3- altura da peça acima da seção de choque → B (cm)4- peso da peça+massalotes → P (Kg)

Hef = H - b2/ 2c

- Inicialmente determina-se a altura efetiva (Hef)

- Calcula-se então a Sc (seção de choque)

efc H

PKS =

P = Peso de todo o sistema a ser enchido (peça+masalotes)

Hef = altura efetiva

K = constante do material( cm5/2 / Kg1/2)

Ferro Fundido → 4,86

Aços → 10,6

Bronzes → 5,34

Alumínio → 8,25

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