Orientador : Amauri Garcia

Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Campinas

Resumo: O presente trabalho propõe uma extensão do modelo matemático para análise da solidificação unidirecional de metais recentemente desenvolvido por Garcia e Prates, capacitando-o a levar em conta os efeitos do superaquecimento e tornando-o, consequentemente, mais geral e versátil. Inicialmente...

Resumo: O presente trabalho propõe uma extensão do modelo matemático para análise da solidificação unidirecional de metais recentemente desenvolvido por Garcia e Prates, capacitando-o a levar em conta os efeitos do superaquecimento e tornando-o, consequentemente, mais geral e versátil. Inicialmente é feita uma introdução ao problema da transferência de calor durante a solidificação em sistemas metal/molde na presença de superaquecimento, sendo descritos o método analítico exato de Schwarz e o analítico aproximado de Hrycak, destacados como os mais representativos de suas classes. O método numérico de Dusinberre aplicado à solidificação é descrito em detalhes, sendo, inclusive, desenvolvido um novo algoritmo que permite a sua utilização sem a necessidade de uma' reprogramação cada vez que mudem as condições de contorno do sistema metal/molde. A suposição básica do modelo continua sendo a substituição da resistência térmica da interface metal/molde por espessuras virtuais do metal e do molde. A comprovação experimental é realizada por meio de experiências em um dispositivo que promove a solidificação unidirecional de metais, simulando a solidificação de um elemento de referência em um molde refrigerado à água. Assim, são obtidos dados de cinética e de distribuição de temperaturas na solidificação de Chumbo e de Alumínio, fazendo-se variar o grau de superaquecimento e as condições de contato térmico na interface metal/molde. Resultados experimentais obtidos por outros pesquisadores são também comparados com as previsões teóricas do modelo proposto, para casos de solidificação em moldes do tipo semi-infinito e em moldes refrigerados. Finalmente, para situar o modelo proposto em relação aos modelos ou métodos existentes na literatura, é feito um confronto, através de resultados experimentais, com as previsões fornecidas pelos modelos de Schwarz, Hrycak e o método numérico de Dusinberre

Abstract: This paper proposes an extension of the mathematical model for the unidirectional solidification of metals recently developed by Garcia and Prates, thus capacitating it to analyze cases where the superheat is present, making the model more general and versatile. Initially it is done an...

Abstract: This paper proposes an extension of the mathematical model for the unidirectional solidification of metals recently developed by Garcia and Prates, thus capacitating it to analyze cases where the superheat is present, making the model more general and versatile. Initially it is done an introduction to the heat transfer problem during the solidification in the metal/mold systems in the presence of the superheat. Schwarz's analytical exact model and Hrycak's approximate analytical model are briefly aborded. Those are the most representative models of theirs category. Dusinberre's numerical technique, applied to the solidification, is explained in detail and a new computational algorithm, which avoids the reprograming necessity when the boundary conditions change, is presented. The basic assumption of the model is still the substitution of the Newtonian resistance for virtuals layers of the mold and of the solidified metal. An apparatus that promotes the unidirectional solidification of metals, simulating the solidification in water cooled mold, was used during the experimental work. The kinetic soft solidification and the thermal profile were obtained for Lead and Aluminum, varying the superheat and the thermal contact in the metal/mold interface. Experimental results obtained by other researches, for the cases of massive and water cooled molds, are also compared with the theoretic predictions of the proposed model. Finally, in order to situate the proposed model among other existing models, graphics were drawn, comparing their previsions with the experimental results