Guia Especialista para Projetar Sistemas de Alimentação em Fundição de Metais

Projeto de Sistema de Alimentação

O projeto de um sistema de alimentação depende tanto da composição do metal quanto da do molde. Por exemplo, um projeto elaborado é necessário para evitar escória (óxidos) em metais de fácil oxidação e baixo ponto de fusão, como o alumínio.

Para o ferro fundido, entretanto, seleciona-se um caminho curto para o metal líquido a fim de evitar uma temperatura de vazamento excessiva. O projeto de alimentação para um molde cerâmico difere bastante do utilizado normalmente para um molde de areia permeável. De forma geral, os projetos de alimentação podem ser classificados em três categorias: (i) alimentação vertical, (ii) alimentação por fundo e (iii) alimentação horizontal.

Alimentação Vertical

Na alimentação vertical, o metal líquido é vazado verticalmente para preencher o molde com pressão atmosférica na base.

Alimentação por Fundo

Na alimentação por fundo, o metal líquido preenche o molde de baixo para cima, evitando assim os respingos e a oxidação associados à alimentação vertical. A Figura 2.6 mostra um projeto simples de alimentação vertical e outro de alimentação por fundo.

Alimentação Horizontal

No sistema de alimentação horizontal, porções horizontais adicionais são introduzidas para melhor distribuição do metal líquido com turbulência mínima.

Cálculo do Tempo de Enchimento

Cálculos simples baseados nos princípios do escoamento de fluidos permitem estimar o tempo necessário para encher um molde. Ilustraremos isso para os dois projetos da Fig. 2.6. Utiliza-se a equação integral de balanço de energia por unidade de massa, mais conhecida como equação de Bernoulli. Por exemplo, na Fig. 2.6a, assume-se que a pressão nos pontos 1 e 3 é igual (p₁ = p₃) e que o nível 1 se mantém constante. Assim, a velocidade na estação 1 (v₁) é zero. Além disso, negligenciam-se as perdas por atrito. O balanço de energia entre os pontos 1 e 3 resulta na equação que determina a velocidade do jato descarregando contra uma carga estática h, tornando a carga efetiva (hₜ – h).

Efeito de Aspiração

Para um molde feito de material permeável (ex.: areia), deve-se garantir que a pressão em qualquer ponto do fluxo de metal líquido não caia abaixo da pressão atmosférica. Caso contrário, os gases provenientes da queima de compostos orgânicos no molde entrarão no fluxo de metal fundido, produzindo fundições porosas. Isso é conhecido como efeito de aspiração.

Aplicando a equação de Bernoulli entre os pontos 2 e 3 na Fig. 2.6a, obtém-se a relação para verificar esse efeito. Outra situação onde a aspiração ocorre está associada a uma mudança brusca na direção do fluxo. Como mostrado na Fig. 2.9a, o jato de metal líquido contrai-se ao contornar um canto vivo devido ao efeito do momento. Na alimentação vertical, isso não tem relação com a aceleração da gravidade.

A região constrita mostrada na estação 2 da Fig. 2.9a é conhecida como vena contracta. Para evitar a criação de vácuo ao redor da estação 2, o molde é feito para acompanhar a vena contracta, como na Fig. 2.9b. Em outras palavras, evita-se uma mudança brusca na direção do fluxo. Se o diâmetro do canal é d e o diâmetro na entrada é d', normalmente mantém-se d'/d ≈ 1,3, o que significa r ≈ 0,15d.

Itens Comuns no Projeto de Alimentação para Prevenir Impurezas

• Bacia de Vazamento: Reduz a força erosiva do jato de metal líquido vindo diretamente do forno. Também permite manter uma carga de vazamento constante.
• Coador (Strainer): Um coador cerâmico no canal de alimentação remove a escória.
• Núcleo de Respingo (Splash Core): Um núcleo cerâmico colocado na extremidade do canal também reduz a força erosiva do jato.
• Skim Bob: É uma armadilha colocada no canal horizontal para impedir que impurezas mais pesadas e mais leves entrem no molde.

Efeitos do Atrito e Distribuição de Velocidade

A velocidade do metal líquido no canal de alimentação e na comporta é uniforme na seção transversal. Na realidade, a velocidade de um fluido em contato com qualquer superfície sólida é zero e máxima no eixo do conduto. A distribuição de velocidade depende da geometria do conduto e da natureza do fluxo (turbulento ou laminar). Até aqui, assumimos ausência de perdas por atrito.

Em fluidos reais, as perdas por atrito estão sempre presentes, especialmente quando há contração ou ampliação brusca das seções de fluxo. Na discussão a seguir, modificaremos as equações já desenvolvidas considerando esses dois fatores: distribuição de velocidade e atrito.