sistema de enchimento

SISTEMA DE ENCHIMENTO

DE PEÇAS FUNDIDAS

SILVIO LUIZ FELISBINO 1

CONSUTEC Consultoria e Suporte Técnico em Fundição


No estado líquido, as ligas metálicas costumam ser reativas aos gases

da atmosfera das fundições e dos moldes.

Oxigênio e Hidrogênio

Causam:

- Cavidade nas peças fundidas formadas por bolha de O2 ou H2;

- Inclusões não-metálicas, freqüentemente macroscópicas, Óxidos -

combinados com outros óxidos e/ou silicatos proveniente do molde (areia,

revestimento refratário do forno e da panela de vazamento);

- Segregação de hidrogênio para o contorno de grão prejudica as

propriedades mecânicas.

2

A captação desses gases durante o escoamento do metal líquido

torna-se mais intensa quanto maior seja o tempo de exposição do metal à

atmosfera e quanto maior turbulência do fluxo metálico nos canais.

A turbulência no escoamento contribui também para a erosão do

molde pelo fluxo de metal líquido, resultando em inclusões de areia nas

peças.

Por outro lado, o tempo de enchimento do molde é fator importante

na ocorrência de defeitos devido à expansão térmica da areia (tais como

descascamento e rabo de rato), ou solda fria, além de ser determinante na

produtividade da operação de vazamento.


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SISTEMA DE ENCHIMENTO CONCEITO

São dutos com a finalidade de conduzir o metal líquido até a cavidade do molde correspondente a peça, limpo e na temperatura adequada para produzir uma peça com qualidade.

FUNÇÕES DOS CANAIS

- Reduzir turbulência do fluxo de metal líquido a medida que o mesmo percorre o sistema de canais e penetra na cavidade do molde;

(↓ a turbulência, ↓erosão do molde e separação de escória)

- Evitar a formação de regiões de baixa pressão junto ao fluxo metálico que favoreçam a aspiração de ar ou gases do molde;

- Permitir o preenchimento do molde em um tempo previamente estipulado;

- Contribuir para o estabelecimento de gradientes térmicos favoráveis à alimentação da peça;

- Eliminar ou reduzir ao mínimo os aspectos subjetivos e a dependência em relação as habilidades individuais no momento do vazamento do metal no molde.

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FATORES QUE CONDICIONAM A APLICAÇÃO DOS CANAIS

a)Rendimento metálico.

b)Espaço na placa.

c)Geometria da peça.

d)Altura da caixa.

e)Dificuldades na moldagem.


Nenhum método de cálculo de canais resolve por si só o problema

de preenchimento de todas as peças fundidas. Fatores citados acima, vão

condicionar a aplicação das soluções estudadas exclusivamente do ponto de

vista do preenchimento.

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Um dos fatores mais importantes a

se considerar é a sensibilidade da liga

quanto à formação de escória e drosses.

Quanto maior a tendência de

formação de óxidos, maior deve ser o rigor

na aplicação dos princípios de projeto que

visam diminuir a turbulência e aspiração no

sistema de canais.

Quanto ao uso de sistema de

separação e retenção de escória, deve-se

ter em mente que baseado na flutuação

das escórias e sua retenção por adesão à

parte superior dos canais só funcionam se

houver diferença significativa de densidade

entre o metal e os compostos formados.

Metais e Óxidos Densidade

g/cm3

Alumínio 2,41

Al2O3 3,96

3Al2O3 . 2SIO2 3,15

Ferro Fundido 6,97

Aço baixo carbono 7,81

Aços com 2% C 6,93

FeO 5,7

Fe2O3 5,24

MnO 5,45

Cr2O3 5,21

SiO2 2,65

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Os metais líquidos têm propriedades de escoamento muito semelhantes às

da água.

A propriedade física que traduz essa semelhança é a viscosidade

cinética. υ :

Líquido Densidade

g/cm3

Temperatura

oC

Viscosidade cinemática

υ

Água 1,00 20 0,01

Ferro 6,98 1600 0,0089

Fe- 0,75% C 6,6 1500 0,011

F. F. Cinzento 6,1 1300 0,0045

Alumínio 2,37 700 0,0127

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SISTEMA DE ENCHIMENTO Número de Reynolds

Adota-se como válida também para os metais líquidos as verificações

experimentais, feitas em escoamento de água, que correlacionam o número de

Reynolds, Re com turbulência do fluxo, isto é:

- O escoamento é lamelar quando o Re é igual ou inferior a 2.000;

- O escoamento é inteiramente turbulento quando o Re é superior a 20.000 e

- O escoamento tem turbulência confinada quando o Re está entre 2.000 e

20.000.

Na prática, não se conseguem escoamentos laminares em fundição de

metais.

O objetivo é conseguir escoamento com turbulência confinada na

maior parte do escoamento ao longo dos canais.

O Número de Reynolds, Re , definido pela seguinte expressão:

Re = v x DH

υ

Onde: v = velocidade do fluxo

DH = diâmetro hidráulico do canal

υ = viscosidade cinemática do líquido ( ~0,01 cm2/s para os aços).

DH = 4 x área da seção transversal _

Perímetro da seção transversal

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Lei da Continuidade ( Conservação de massa)

Em um canal cheio, a quantidade de líquido que passa por qualquer ponto na

unidade de tempo é constante, independente de vários locais de velocidade ou área de

seção do canal.

a vazão Q ao longo de um canal cheio é constante.

Q = v1 x A1 = v2 x A2 = constante

Exemplo: Se a velocidade na base de um canal de descida de área igual a 10 cm2 seja

de 200 cm/s; se a área da seção do canal de distribuição for de 20 cm2, a velocidade

será reduzida para;

V distribuição = 200 x 10 = 100 cm/s

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SISTEMA DE ENCHIMENTO Lei da conservação de energia ( teorema de Bernoulli)

Para um líquido escoando sem atrito, a soma das diversas formas de

energia cinética, potencial ou de posição e de pressão – mantém-se

constante para uma dada quantidade de líquido que escoa.

Entretanto, as perdas não podem ser desprezadas, representando algo

entre 30 e 75% da energia potencial, h1, disponível.

O cálculo rigoroso das perdas pode-se ser feito aplicando-se a cada

trecho do sistema de canais fatores de perda.

Em geral introduz-se um coeficiente global de perdas, α, na expressão

da vazão, que fica:

Q = A . α 2 g h1 = 44,27 . A . α h1

Baixos valores de α correspondem a grandes perdas.

, α = 0,25 significa que, no escoamento, 75% de energia potencial é perdida.

Relação de canais α

Pressurizado 0,25 a 0,50

Despressurizado 0,55 a 0,75

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Funil

Canal de descida

Canal de distribuição

ou Canal Primário

Canal de ataque ou

secundário

Bacia do canal de

descida

Quando se projeta um sistema de canais, pode-se optar por situar a

menor seção do sistema.

Pode ser na base do canal de descida ou nos canais de ataque.

Considera-se a área total de cada parte do sistema.

Por exemplo: se a partir do canal de descida o sistema se dividir em dois

canais de distribuição, a área de distribuição será a soma das seções dos

dois canais. E assim por diante.

COMPONENTES DO SISTEMA DE ENCHIMENTO

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SISTEMA CONVERGENTE ( Pressurizado)

Neste tipo de sistema de canais a seção reguladora do fluxo (estrangulamento) de metal líquido se encontra na região do ataque.

Neste sistema temos o metal entrando na cavidade do molde com maior velocidade, pois, na região do estrangulamento ocorre aumento da velocidade do fluxo.

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SISTEMA DE ENCHIMENTO SISTEMA DIVERGENTE (Despressurizado)

No sistema de canais divergente a seção reguladora do fluxo se encontra na

base do canal de descida, deste ponto em diante o sistema possui um aumento das

áreas transversais dos canais, possibilitando a redução da velocidade do fluxo do metal

no sistema.

Aços ao carbono, inox, ferro fundido nodular, (deve-se estudar cada caso), pois pode-se

usar ambos os sistemas.

São ligas que apresentam problemas com relação a oxidação

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RELAÇÕES DE ÁREAS DOS CANAIS

As relações de áreas dos canais é representada por três números,

como 1 : 4 :4 , 1:0,9:0,5

Sendo:

A- o primeiro número representa o módulo da área transversal da base do

canal descida.

B- o segundo representa o módulo da área transversal do(s) canal(s) de

distribuição.

C- e o terceiro número representa o módulo da área transversal do(s)

canal(s) de ataque.(Σ)

A

B

C

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SISTEMA DE ENCHIMENTO FUNIL:

Redondo;

Causa turbulência

Retangular;

Bacia de Vazamento ○ Favorece a manutenção de

fluxo regular

○ Facilita reter inclusões

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CANAL DE DESCIDA

16


17


Canal de distribuição ou Primário:

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Pressurizado ou

Despressurizado


FILTRO CERÂMICO

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Canais de Ataque ou Secundário

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A seção do canal de ataque é determinada em função do peso de metal que irá fluir através desta área

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22

Bacia do Canal de Descida


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24


Sistema de Enchimento indicado para fusão

de Aços e Alumínio

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26


27


PROJETO DO SISTEMA DE CANAIS

-No canal de descida o fluxo é acelerado devido ao efeito da

gravidade;

-Nos canais de Distribuição e ataque ocorrem mudanças de

seções e de direção que promovem turbulências e aspiração de

ar;

-Ao entrar na cavidade do molde, o fluxo não está mais restrito

pelas paredes, tendo seu fluxo definido pelas inércia e pela ação

da gravidade.

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PROBLEMAS DECORRENTES DA TURBULÊNCIA

-Aspiração de Ar ( criação de bolhas de ar)

-Problemas de exposição de superfícies, com

conseqüente criação de óxidos (inclusões);

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RECOMENDAÇÕES PARA PROJETO DE CANAIS EM LIGAS OXIDÁVEIS.

- Canal de Descida cônico;

- Sistema Despressurizado ou Divergente ( 1:2:2 ou 1:4:4);

- Bacia no fundo do canal de descida;

- Enchimento da peça por baixo ( evitar quedas dentro da cavidade do

molde), ou

- Canais de distribuição na caixa inferior e canais de ataque na caixa

superior.

- Filtros auxiliam na redução do fluxo.

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Algumas teorias falam em relações de 1:1:1, 1:2:1

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SISTEMA DE ENCHIMENTO TEMPO DE ENCHIMENTO DO MOLDE

São muitas as variáveis em jogo e não existe ainda um critério para a

escolha do tempo ideal de enchimento.

Uma forma para calcular o tempo de enchimento (t) pode ser calculado

(previsto) dividindo-se o volume da cavidade do molde (VCM) a ser preenchido

pelo metal, incluído os massalotes, pela área da secção transversal do canal

de estrangulamento (A) e velocidade (V) do metal neste local

t = VCM

A . V

Outras fórmulas:

t = K . P (s)

K coeficiente tabela

P = Peso Conjunto

E = Menor Espessura

t = tempo de enchimento, (s).

VCM = volume da cavidade do molde, (cm3).

A = área da secção de choque, (cm2).

V = velocidade do metal na secção de

choque, (cm/s).

onde: K

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t = (1,23 + 0,06E).P (s)

E = menor espessura da peça (mm)

P = peso (kg)


h=H

h= H-C

2

Determinação da Altura efetiva h

h=2Hc-p2

2c

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A = P

d . V . t

onde: (1)

A = área da secção de estrangulamento (cm2)

P = peso do conjunto, peça + massalotes (g)

d = densidade do metal (g/cm3)

V = velocidade do metal (cm/s)

t = tempo de enchimento (s)

DIMENSIONAMENTO DA SEÇÃO DE ESTRANGULAMENTO

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RESUMO DO DIMENSIONAMENTO DE SISTEMA DE ENCHIMENTO

Sistema Despessurizado

1- Escolha do tempo de enchimento ou de vazão;

2- Determinação da altura de vazamento ou altura efetiva;

3- Escolha da relação de canais;

4- Determinação do coeficiente global de perda α;

5- Determinação da velocidade na base do canal de descida

6- Calcular a seção na base do canal de descida A = P

d . V . t

7- Calcular a área no topo do canal de descida

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8- Calcula da área do (s) canal de distribuição

9- Calcula da área do (s) canal de ataque;

10- Escolha das formas das seções dos canais de distribuição e de ataque e

verificação do Re em cada ponto; se necessário aumentar a área da seção ou alterar as

dimensões da seção de modo a diminuir o diâmetro hidráulico DH.

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Sistema de Alimentação e Enchimento

Seqüência de Calculo:

1- Dividir a peça em seções e calcular o módulo de cada uma:

M=V (cm3)

S (cm2)

Fórmulas : Volume Para Diâmetro: p.D2. h

4

Volume para Retângulo: A.B.C

Fórmulas :Superfície de um Cilindro: p.D2

4

+ Perímetro: p.D.h

Fórmulas para Superfície Retângulo:2. A.B+2.B.C+2.A.C

Descontar superfícies que não resfriam

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38

∅250

200

125

220

80

Medidas em mm


V= p .D2 . h

4

.p


Módulo seção 1

M = V

S

Módulo seção 2

M = V

S

Material: Ferro Fundido Nodular

Classe: GGG40

Moldagem/ Macharia: Cura a Frio


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RESUMO DO DIMENSIONAMENTO DO SISTEMA DE ALIMENTAÇÃO

Requisito Térmico

Mm = k x Mpeça ( ou seção)

Mm = 0,8 . Mp

Mm=

LIGA MOLDE MASSALOTE K

FC com CE=4,2% e 0,2%P

0,6%P

Areia verde De topo

Lateral

De topo

De topo

0,30

0,88

1,00

1,09

FC Rígido - 0,60

FE Areia Verde Lateral 0,9

FE Rígido Lateral 0,8

Aço baixo C Areia verde De topo 1,29

Aço inox Areia verde De topo 1,15

Bronze ao alumínio Areia verde De topo 1,12

Bronze ao manganês Areia verde De topo 1,14

Geral - - 1,2

Massalote com luva

exotérmica

- - 0,80 – 0,90


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D = Mm (1+4p) p/ Massalote de Topo p D = Mm (2+4p) p/ Massalote lateral p Onde: D = Diâmetro do massalote; Mm = módulo do massalote; p = relação altura x diâmetro ( 1; 1,5; 2; 2,5)

H = p.D Diâmetro pelo Requisito térmico = Altura do Massalote=


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REQUISITO VOLUMÉTRICO

Vm = b . V

(η – b)

Vm = Volume do massalote

V = Volume total da peça (gr)

b =Coeficiente de segurança

η = rendimento do massalote (40% p/ compensar

14% massalote cilíndrico,

20% massalote esférico e

67% p/ luva exotérmicas

Diâmetro do Massalote

3 Vm . 4

D= π . p

H = p.D

p= 1, 1,5 , 2, 2,5

LIGA SUPERAQUECIMENTO

500c 1500c Bronze comum 0,04 0,045 Latão comum 0,06 0,065 Latão alta resistência 0,07 0,075 Ligas de Mg 0,05 0,06 Ligas de AlSi10 a 13 0,045 0,05 Ligas de AlSi5 a 10 0,075 0,08 Ligas AlCu4 a 8 0,075 0,08 Ligas de AlMg3 a 6 0,08 0,09 Aço C 0,3% 0,05 0,06 Aço C 0,8% 0,06 0,07 Ferro Fund. Cinzento 0,05 0,06 Ferro Fund. Nodular 0,06 0,09 Ferro fund. Branco

CE=3% 0,04 0,06


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CALCULO DO PESCOÇO

Para algumas ligas o módulo de resfriamento do pescoço é o módulo

médio entre massalote e parte a ser alimentada, ou seja:

Mm > Mn > M

Mn = Mm + M

2

Mn = f.M (para ferros fundidos cinzentos e nodulares)

sendo:

Mn = módulo do pescoço

f = fator entre 0,5 a 0,65

M = módulo da peça ou secção da peça


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Recomenda-se para efeito de cálculo que o pescoço seja um cubo, com

comprimento, espessura e largura = a.

a = 4Mn

Tempo de Enchimento

t = (1,23 + 0,06E). P (s)

E = menor espessura da peça (mm)

P = peso (kg)

Velocidade de Enchimento

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Relação de canais α

Pressurizado 0,25 a 0,50

Despressurizado 0,55 a 0,75


onde: (1)

A = P A = área da secção de estrangulamento (cm2)

d . V . t P = peso do conjunto, peça + massalotes (g)

d = densidade do metal (g/cm3)

V = velocidade do metal (cm/s)

t = tempo de enchimento (s)

α= coeficiente de perda

g= gravidade da liga

H= Altura efetiva

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Conclusão:

Novidades????

Esclarecimento em alguns pontos;

50

OBRIGADO

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47 3425 3884

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