Tipos de Dispositivos Experimentais para Solidificação Unidirecional Transitória

2.3.1 Solidificação Unidirecional Vertical Ascendente

Na Figura 2.3 é mostrado um esquema de dispositivo de solidificação vertical ascendente, em que a liga é refundida ou já vazada fundida em molde cilíndrico e quando a temperatura da liga líquida atinge um determinado valor, inicia-se a solidificação através do acionamento da água de refrigeração na parte inferior do molde.

Figura 2-3 – Dispositivo de solidificação unidirecional vertical ascendente (Spinelli, 2005).

Um conjunto de termopares inseridos dentro do molde, em diferentes posições a partir da base refrigerada, permite o registro da evolução térmica durante todo o processo, que será utilizado posteriormente para a determinação dos parâmetros térmicos da solidificação. Nesse tipo de dispositivo, a solidificação processa-se em sentido contrário ao da ação da gravidade e, consequentemente, o peso próprio da liga atua no sentido de favorecer o contato térmico com a base refrigerada, contato que é dificultado em função do aparecimento do gap entre a base da lingoteira e a superfície do lingote, ocorrido pela gradativa contração volumétrica de solidificação (Faria, 2015; Feitosa, 2014; Goulart, 2010;Canté, 2009;Cruz, 2008; Rosa,

2006A).

Um aspecto típico desse dispositivo experimental é que, durante o processo de solidificação, o soluto/solvente é rejeitado na frente de solidificação com o vetor gravidade atuando em sentido contrário ao da solidificação. Dependendo do par soluto/solvente, pode ocorrer a formação de um líquido à frente da interface de solidificação mais denso que o restante do volume global de metal líquido, fazendo com que a solidificação se processe de forma completamente estável sob ponto de vista da rejeição de soluto/solvente no líquido.

Como o perfil de temperaturas no líquido é crescente em direção ao topo do lingote, o líquido mais denso localiza-se junto à fronteira de transformação sólido/líquido, e não ocorrem correntes convectivas nem por diferenças de temperatura e nem por diferenças de concentração. Isso permite uma análise experimental e cálculos teóricos isentos desse complicador, já que a transferência de calor dentro do lingote seria realizada essencialmente por condução térmica unidimensional (Osório, 2003; Siqueira, 2002; Rocha, 2003A). Caso a rejeição do soluto/solvente venha a induzir um líquido junto à frente de solidificação menos denso que o volume global do líquido, ocorreria a formação de movimento convectivo induzido pelo movimento desse líquido menos denso em direção ao topo do lingote.

2.3.2 Solidificação Unidirecional Vertical Descendente

Ao contrário do apresentado no item 2.3.1, a Figura 2.4 apresenta esquematicamente um dispositivo experimental de solidificação transitória vertical descendente, que apesar de ter o sentido do fluxo de calor contrário ao de solidificação unidirecional vertical ascendente é bastante similar ao descrito na seção anterior, porém a câmara refrigerada a água é localizada no topo do lingote. Nessas condições, a solidificação ocorre no mesmo sentido da ação da força da gravidade, com a força peso atuando no sentido de deslocar o lingote do contato com a base refrigerada. Isto proporciona, mais precocemente no processo, uma situação de maior resistência térmica à passagem de calor do lingote em direção ao fluido de refrigeração, quando comparada com a solidificação ascendente.

Figura 2-4 – Dispositivo de solidificação vertical descendente: 1 - Aquisição via computador;

2 - Material refratário; 3 - Resistências elétricas; 4 - Lingoteira; 5 - Termopares; 6 - Registrador de dados térmicos; 7 - Câmara de refrigeração; 8 – Rotâmetro; 9 – Metal líquido;

10 – Controle de potência do forno (Spinelli, 2005).

Outra diferença essencial em relação ao processo de solidificação citado no item 2.3.1 consiste na presença de algum movimento convectivo, uma vez que o perfil de temperatura do líquido é crescente em direção à base do lingote que está isolada termicamente, o que significa que poderá ocorrer pelo menos convecção por diferenças de temperatura no líquido. Se o soluto rejeitado produzir um líquido interdendrítico de maior massa específica do que o líquido nominal, ocorrerá também movimento convectivo provocado por diferenças de concentração (Goulart, 2010).

Esse tipo de dispositivo experimental é importante para análises comparativas com a solidificação ascendente, permitindo a verificação da influência de correntes convectivas na estrutura de solidificação e mostrando as diferenças entre ambas as configurações quando se solidificam ligas de mesma composição.

2.3.3 Solidificação Unidirecional Horizontal

Na Figura 2.5 é mostrado o esquema de um dispositivo de solidificação horizontal, no qual o processo de solidificação pode ser conduzido de duas formas distintas: na primeira, a partir do vazamento da liga líquida dentro de molde isolado termicamente, sendo o calor extraído somente por uma das paredes, constituída de um bloco maciço metálico, ou por uma câmara de refrigeração. Nesse caso, a turbulência do vazamento induz correntes de convecção forçada que levam algum tempo para se dissipar e agem com intensidades diferentes ao longo da secção do lingote.

Figura 2-5 – Desenho esquemático do dispositivo de solidificação unidirecional horizontal.

Adaptado de Goulart (2005).

A outra forma do processo é conduzida por um sistema semelhante ao da primeira, porém que permita fundir a liga em seu interior (primeiramente a liga é vazada líquida e solidificada dentro da lingoteira e posteriormente é refundida) até que uma temperatura seja alcançada, a partir da qual inicia-se a solidificação por refrigeração. Nessa situação, garante- se, com a fusão do metal dentro do molde, uma maior estabilidade em relação ao movimento de metal líquido. Entretanto, é importante ressaltar que não se podem garantir os mesmos parâmetros térmicos de solidificação ao longo de diferentes secções horizontais da base ao

topo do lingote, já que instabilidades térmicas e diferenças de massa específica no líquido irão induzir correntes convectivas, que serão diferentes ao longo dessas secções.

O mapeamento térmico da evolução da solidificação deve ser feito em uma secção horizontal o mais próximo possível do local de onde serão retiradas as amostras para análise da macroestrutura e da microestrutura (Goulart et al., 2006; Osório et al., 2003; Osório,

2002; Quaresma et al., 2000; Osório et al., 2000; Quaresma et al., 1999).