Orientador: Mauricio Prates de Campos Filho

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia de Campinas

Resumo: O presente trabalho propõe um modelo matemático para a determinação da cinética de crescimento e da distribuição de temperaturas durante o processo de solidificação unidirecional de metais e ligas eutéticas em moldes refrigerados e maciços. Inicialmente foi feita uma exaustiva e crítica...

Resumo: O presente trabalho propõe um modelo matemático para a determinação da cinética de crescimento e da distribuição de temperaturas durante o processo de solidificação unidirecional de metais e ligas eutéticas em moldes refrigerados e maciços. Inicialmente foi feita uma exaustiva e crítica revisão bibliográfica sobre os métodos e modelos existentes na literatura, e o modelo aqui proposto surge como o único, dentre os modelos analíticos, que permite a determinação da distribuição de temperaturas no metal em função da eficiência do contato térmico na interface metal/molde. Alem disso, difere dos outros métodos e modelos da do seu caráter geral e extensivo, sua facilidade de manipulação, e sua possibilidade de cálculos rápidos e confiáveis. 0 modelo proposto permite ainda o calculo do coeficiente de transmissão de calor da interface metal/molde, utilizando-se para tanto dos resultados experimentais da cinética de solidificação unidirecional. Para a verificação de sua aplicabilidade em moldes refrigerados a ar, o modelo proposto foi comparado com resulta - dos publicados na literatura, e obtidos para o Chumbo, Estanho e eutético Estanho-Chumbo. Para sua verificação em moldes refrigerados a água, o modelo foi comparado cora resultados experimentais obtidos neste trabalho para Estanho, Chumbo, Zinco, Alumínio e os eutéticas Estanho-Chumbo e Alumínio-Cobre, todos solidifica - dos em diferentes condições de contato térmico metal/molde, em um dispositivo de solidificação unidirecional especialmente projetado e construído. 0 modelo proposto é ainda comparado com os métodos ou modelos mais significativos dentre os analíticos exatos, aproximados e métodos numéricos, para o caso de solidificação unidirecional de Chumbo e Alumínio em molde refrigerado a água. Verificou-se ainda pelos resultados obtidos na solidificação unidirecional dos eutéticos em moldes refrigerados a água, a existência de dois tipos de comportamento cinético acompanhados de dois tipos de comportamento estrutural. Foi também verificada a aplicabilidade do modelo em molde maciço semi-infinito através da comparação com resultados obtidos para o Chumba, verificando-se também a influência de diferentes espessuras de molde sobre a cinética de solidificação deste metal. Finalmente, mostra-se algumas das principais possibilidades de aplicação prática do modelo proposto a processos tecnológicos tais como os lingotamentos contínuo e estático, além da fundição de peças com geometria plana

Abstract: A mathematical model is proposed describing the growth kinetics and temperature profiles during unidirectional solidification of pure metals and eutectic alloys in both cooled and massive moulds. A review was made of previously published models and it was noted that none of the...

Abstract: A mathematical model is proposed describing the growth kinetics and temperature profiles during unidirectional solidification of pure metals and eutectic alloys in both cooled and massive moulds. A review was made of previously published models and it was noted that none of the analytical techniques permitted a description of the thermal profiles in terms of interface heat transfer characteristics. The model proposed is not subject to this limitation and is also shown to be more versatile and reliable than many previous techniques. The approach outlined permits the initial calculation of heat transfer coefficients under given conditions.These values are in general not available in the literature and in any event tend to be highly specific to the individual metal/mould conditions. The results may then be utilized in a complete description of the kinetics of the freezing process. The model was initially verified by application to previously - published experimental results refering to Lead, Tin and Lead-Tin eutectic systems in air cooled mould. Comparison was then made between prediction and results of experiments carried out in the present study. These were for the case of the systems Tin, Lead, Zinc, Aluminium and Tin-Lead and Aluminium-Copper eutectics in water-cooled moulds. The effect of varying the heat transfer conditions was also investigated for each case. These experiments required the development of a special directional solidification system. These experimental results were also compared with the theoretical predictions produced by models representative of all the main mathematical techniques, including exact, approximate and numerical methods. It was found that the proposed model gave agreement which was acceptable in all case and generally superior to that of pre- existing techniques. It was noted for the case of eutectics grown with these relatively high velocities that there appears to be two separate regimes of kinetic behaviour,, with a well defined transition point. This is presumably related to the solidification structure, although the study did not encompass extensive structural examinations. It was also verified that the proposed model is applicable to solidification in massive (semi-infinite) moulds, comparison with experimental being made for the case of Lead. This aspect of the work also included an examination of the effect of mould thickness. Finally, it was demonstrated that the model is of direct application to a variety of pratical situations such as continous and static ingot-making