6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO
th
6 BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING
11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil
April 11th to 15th, 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil
DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR
INTERFACIAL
DURANTE
A
SOLIDIFICAÇÃO
DIRECIONAL
HORIZONTAL DA LIGA Al-9%Si
Diego de Leon Brito Carvalho, e-mail: [email protected]
Andréa Moreira Moutinho, e-mail: [email protected]
Antonio Luciano Seabra Moreira, e-mail: [email protected]
Daniel Joaquim da Conceição Moutinho, e-mail: [email protected]
Otávio Fernandes Lima da Rocha, e-mail: [email protected]
1
2
Universidade Federal do Pará, Rua Augusto Corrêa n o 1, Guamá, CEP: 66075-110 – Belém-PA
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará Av. Almirante Barroso no 1155, Marco, CEP: 66093-020
– Belém-PA
Resumo : A análise do fenômeno da transferência de calor durante a solidificação de uma liga em um sistema
metal/molde é bastante complexa pois depende das condições de contorno assumidas, das propriedades termofísicas
do molde, das propriedades termofísicas da liga e da distribuição de temperaturas na peça fundida. Durante o
processo de solidificação, estes parâmetros variam em função do tempo e da temperatura. O objetivo deste trabalho é
determinar o coeficiente de transferência de calor na interface metal/molde (hi ) da liga hipoeutética Al-9%Si
solidificada direcionalmente em um sistema horizontal refrigerado a água. Um dispositivo experimental de
solidificação foi desenvolvido e amostras da liga investigada foram obtidas sob condições transientes de fluxo de
calor. A condição de contato térmico na interface metal/molde foi padronizada com a superfície de extração de calor
sendo polida. Os perfis de temperaturas foram medidos em diferentes posições do lingote e os dados conseguidos
foram armazenados automaticamente. Termopares foram posicionados no molde e conectados através de cabos
coaxiais a um sistema de aquisição de dados interfaciado a um computador. Uma técnica numérica foi utilizada para
determinar os valores experimentais do coeficiente de transferência de calor da liga analisada o qual é representado
por uma equação na forma de potência em função do tempo. Os resultados teóricos e experimentais levantados
apresentaram uma boa concordância. Finalmente, um estudo comparativo entre os valores de hi obtidos neste
trabalho e resultados propostos na literatura para determinar o coeficiente de transferência de calor durante a
solidificação unidirecional vertical ascendente sob condições transientes de extração de calor da liga investigada é
apresentado e os resultados obtidos mostram perfis diferentes para ambos os sistemas considerados.
Palavras-chave: solidificação, direcional, horizontal, transiente, ligas Al-Si.
1. INTRODUÇÃO
As propriedades mecânicas dos produtos fundidos são dependentes das condições assumidas durante o fenômeno da
solidificação que, por sua vez, são determinadas pelas propriedades termofísicas do líquido, do molde assim como pela
resistência à transferência de calor na interface metal/molde. Assim, importantes estudos têm sido realizados nas
últimas décadas com o objetivo de ser estabelecida, de forma sistematizada, a influência dos diversos parâmetros
térmicos e operacionais envolvidos no processo de solidificação sobre a estrutura resultante buscando elevar as
propriedades mecânicas e, por conseguinte, o desempenho dos materiais solidificados por meio do desenvolvimento de
procedimentos experimentais e métodos matemáticos de caráter analítico e/ou numérico.
Durante a solidificação o fluxo de calor na interface metal/molde geralmente é variável, pois o contato físico entre
as superfícies do metal e do molde ocorre somente em pequenas regiões isoladas. A junção entre as duas superfícies
proporciona vazios que dependem de diversos fatores entre os quais a presença de revestimentos superficiais, orientação
da superfície do fundido, propriedades termofísicas dos materiais em contato, sistema de liga, composição da liga,
tensão superficial da liga no estado líquido, pré-aquecimento do molde, temperatura de vazamento, geometria e
dimensão da peça, rugosidade da superfície interna do molde, etc (Kim e Lee, 1997; Griffiths, 2000 e Sahin et al, 2007).
Como conseqüência, o molhamento da parede interna do molde pelo líquido não é completo e com a formação de
vazios nesta interface, o coeficiente de transferência de calor interfacial (h i) diminui desacelerando a solidificação
©
Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011
6º C ON G R E S S O B R A SIL EIR O D E E N G EN H A R I A D E F AB R I C A Ç Ã O 1 1 a 15 d e A b ri l d e 20 11. Ca xia s d o Su l - R S
sendo, portanto, capaz de influenciar a estrutura, as propriedades e o comportamento mecânico do produto final (Santos
et al, 2001; Cheung et al, 2009). A Figura (1) apresenta, de maneira esquemática, os modos de transferência de calor
existentes na interface metal/molde. Conforme pode ser observado, a transferência ocorre por condução nos pontos de
contato entre as duas superfícies separadas e por convecção e radiação através dos gases aprisionados pelos espaços
criados entre as mesmas Cheung et al (2009).
Figura 1. Representação esquemática dos modos de transferência de calor na interface metal/molde
condução, convecção e radiação (Cheung et al).
A determinação do coeficiente de transferência de calor na interface metal/molde depende das condições de
contorno impostas durante o processo de solidificação bem como das propriedades termofísicas do produto fundido e do
molde que, na grande maioria das vezes, variam em função do tempo e da temperatura. Assim, de maneira geral, os
resultados obtidos para coeficientes de transferência de calor interfaciais representam valores que são válidos somente
para as condições particulares em que foram medidos podendo ser utilizados, por conseguinte, apenas como referência
em outros tipos de aplicações práticas.
Nos últimos anos, diversos pesquisadores têm desenvolvido trabalhos visando estudar o mecanismo pelo qual o
calor é transferido através da interface metal/molde durante o processo de solidificação de ligas metálicas em moldes de
aço baixo carbono, aço inoxidável, cobre, ferro fundido e areia sob as mais variadas condições operacionais. Os
modelos apresentados para a análise deste coeficiente da transferência de calor interfacial têm sido propostos utilizando
valores experimentais de temperatura, medidos tanto no fundido como no molde, juntamente com soluções analíticas
(Griffiths, 2000; Santos et al,2001 e Fortin et al,1992) ou numéricas (Ferreira et al, 2008; Hallam, 2004 e Da-shan et al,
2008). Por outro lado, muitos trabalhos de natureza experimental, igualmente importantes, também têm sido realizados
com o objetivo de determinar-se o referido coeficiente (Hwang et al, 1994; Khan et al,2000 e Aweda et al, 2009). Estes
trabalhos mostram que o coeficiente de transferência de calor em questão apresenta valores bem mais elevados nos
estágios iniciais da solidificação e que estes, devido à contração da peça no interior do molde e a conseqüente criação de
vazios na interface metal/molde, diminuem gradativamente à medida que o processo progride até alcançarem valores
bem menores e praticamente constantes.
Diversos processos industriais são influenciados pelos modos através dos quais a convecção térmica e a convecção
composicional ocorrem durante a solidificação. Assim, os efeitos impostos pela direção de crescimento do sólido, em
relação à interface metal/molde, têm sido investigados em sistemas de solidificação unidirecional com a extração de
calor sendo realizada, principalmente, através da base (Ares e Schvezov, 2000 e Canté et al, 2007) e da parte superior
do molde (Spinelli et al, 2004). Na solidificação direcional vertical ascendente, a influência da convecção é minimizada
pois o soluto é rejeitado para regiões interdendríticas promovendo a formação de um líquido mais denso que o volume
total de metal líquido. Por outro lado, no caso da solidificação direcional vertical descendente, ocorrem efeitos
convectivos no líquido durante o processo devido a diferença entre as densidades do soluto e do solvente. Na
solidificação unidirecional horizontal, no entanto, quando o fluxo de calor é extraído através de somente uma das
paredes laterais do molde, a convecção em função dos gradientes de composição no líquido sempre ocorre. Uma
interessante característica adicional do sistema horizontal durante a mudança de fase, é o gradiente de concentração de
soluto bem como os efeitos de densidade na direção vertical pois o líquido enriquecido de soluto sempre decanta ao
passo que o solvente tende a emergir devido as forças de flutuabilidade. Além disso, devido os efeitos impostos pela
convecção termossolutal, sempre vai ocorrer um gradiente de temperaturas na direção vertical. Apesar dessas
características particulares, são poucos os estudos propostos na literatura para investigar estes importantes efeitos
convectivos no líquido impostos sobre o coeficiente de transferência de calor na interface metal/molde durante a
solidificação unidirecional horizontal.
6º C ON G R E S S O B R A SIL EIR O D E E N G EN H A R I A D E F AB R I C A Ç Ã O 1 1 a 15 d e A b ri l d e 20 11. Ca xia s d o Su l - R S
Considerando a importância do assunto, o principal objetivo deste trabalho é determinar o perfil experimental do
coeficiente de transferência de calor interfacial durante a solidificação direcional da liga Al-9%Si em um sistema de
configuração horizontal refrigerado a água, sob condições transientes de extração de calor, na presença de convecção
termossolutal. O referido coeficiente é representado por uma equação na forma de potência em função do tempo. Um
estudo comparativo entre os valores de h i obtidos neste trabalho e resultados propostos na literatura para o coeficiente
de transferência de calor durante a solidificação unidirecional vertical ascendente sob condições transientes de extração
de calor da liga investigada é apresentado e os resultados obtidos mostram perfis diferentes para ambos os sistemas
considerados.
2. MATERIAIS E MÉTODOS
O dispositivo de solidificação empregado nos experimentos é mostrado de forma esquemática na Fig. (2). O mesmo
foi projetado de tal maneira que o calor do metal líquido fosse extraído somente através de um sistema refrigerado a
água, localizado em uma das paredes laterais do molde, promovendo assim a solidificação direcional horizontal. O
molde de aço inoxidável utilizado possui 110 mm de comprimento, 70 mm de largura, 60 mm de altura e suas paredes 3
mm de espessura. As superfícies laterais internas do mesmo foram revestidas com camadas de alumina e a parte
superior foi isolada com material refratário para evitar perdas de calor para o meio ambiente. A condição de contato
térmico na interface metal/molde foi padronizada com a superfície de extração de calor sendo polida. As composições
químicas dos metais empregados na elaboração da liga Al-9%Si são apresentadas na Tab. (1) e as correspondentes
propriedades termofísicas da mesma são mostradas na Tab. (2). Após preparada, a referida liga teve sua composição
química confirmada através de análise térmica.
Figura 2. Dispositivo de solidificação direcional horizontal utilizado nos experimentos.
Tabela 1. Composição química dos metais utilizados na preparação da liga estudada.
Metal
Al
Si
Al
99,7
0,1094
Fe
0,176
0,3164
Ni
0,006
0,0102
Si
0,062
99,596
P
0,0100
Ca
0,0214
Ti
0,009
0,0455
Zn
0,007
-
Ga
0,012
-
V
0,011
-
Cu
0,005
-
Tabela 2. Propriedades termofísicas da liga Al-9%Si.
Propriedades
Símbolo/Unidade
Al-9%Si
Densidade
ρS [kg/m3]
(sólido)
ρL [kg/m3]
(líquido)
2670
2399
Calor
Latente
L [J/kg]
405548
Calor
Específico
cS [J/kg K]
(sólido)
cL [J/kg K]
(líquido)
963
1078
Condutividade
Térmica
KS [W/m K]
(sólido)
KL [W/m K]
(líquido)
81
88
Temperatura
Solidus
Temperatura
Liquidus
TS [ºC]
TL [ºC]
577
604
6º C ON G R E S S O B R A SIL EIR O D E E N G EN H A R I A D E F AB R I C A Ç Ã O 1 1 a 15 d e A b ri l d e 20 11. Ca xia s d o Su l - R S
A liga estudada foi fundida in situ no dispositivo de solidificação e levada até a temperatura correspondente a
10% acima de sua temperatura liquidus. Atingido o nível de superaquecimento desejado, as resistências elétricas do
dispositivo foram desligadas e o sistema de refrigeração acionado. Os jatos do fluido refrigerante induziram uma
extração de calor longitudinal, ou seja, apenas na direção horizontal conforme estabelecido neste estudo. Os valores das
temperaturas foram medidos em diferentes posições do lingote durante a solidificação e os dados obtidos foram
armazenados automaticamente. Para tanto, cinco termopares do tipo K foram posicionados conforme indicado na Fig.
(2). Os mesmos foram calibrados com base no ponto de fusão do alumínio indicando flutuações em torno de 1 ºC e
conectados através de cabos coaxiais a um sistema de aquisição de dados interfaciado a um computador. Os termopares
de 1,6 mm e revestidos de aço foram posicionados a 5, 10, 15, 30 e 50 mm a partir da superfície de extração de calor.
Os resultados da análise térmica experimental da liga estudada foram comparados com valores teóricos
fornecidos por um método numérico (Santos et al, 2001) a fim de determinar a distribuição dos valores de hi durante o
processo de solidificação. O perfil do coeficiente de transferência de calor obtido é representado pela Eq. (1), ou seja:
hi = C(t)−n
(1)
onde, hi (W/m2K), t (s), C e n são constantes que dependem, respectivamente, da temperatura de vazamento, material do
molde e composição da liga. A fim de avaliar-se a eficiência do fluxo de calor na direção horizontal no dispositivo de
solidificação, a macroestrutura do lingote resultante foi revelada. Este foi cortado na direção longitudinal, a mesma em
que ocorreu a extração de calor durante a solidificação. Em seguida, foi mecanicamente lixado e polido com materiais
abrasivos de granulometrias crescentes (100, 220, 320, 400 e 600 mesh) e, posteriormente, atacado quimicamente com
solução ácida composta de 5 ml de H2O, 60 ml de HCl, 30 ml de HNO3 e 5 ml de HF a fim de permitir a revelação de
sua macroestrutura. A estrutura solidificada direcionalmente da liga estudada é mostrada na Fig. (3).
Figura 3. Macroestrutura da liga Al-9%Si.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
A Figura (4) apresenta as curvas experimentais da temperatura em função do tempo obtidas em diferentes
posições a partir da interface metal/molde durante a solidificação direcional horizontal da liga Al-9%Si. Para a
determinação dos valores de hi foi utilizado o perfil térmico referente ao termopar mais próximo da superfície
refrigerada (5 mm) pois eventuais perdas de calor através das paredes laterais do molde são mais improváveis para esta
posição, o que assegura melhores condições de unidirecionalidade para o fluxo de calor.
700
Al-9%Si
o
TV= 663 C
650
o
Temperatura ( C)
o
TL= 596 C
600
550
Termopar
Termopar
Termopar
Termopar
Termopar
500
450
0
10
5mm
10mm
15mm
30mm
50mm
20
30
40
50
Tempo (s)
Figura 4. Curvas experimentais de resfriamento para os termopares localizados em diferentes posições a partir
da interface metal/molde. TV é a temperatura de vazamento.
6º C ON G R E S S O B R A SIL EIR O D E E N G EN H A R I A D E F AB R I C A Ç Ã O 1 1 a 15 d e A b ri l d e 20 11. Ca xia s d o Su l - R S
A Figura (5) compara os resultados experimentais da curva de resfriamento obtidos para a liga estudada com
valores teóricos fornecidos pelo método numérico anteriormente mencionado indicando a equação na forma de
potência, capaz de fornecer os valores assumidos pelo coeficiente de transferência de calor interfacial durante o
processo de solidificação. Pode-se observar que foi obtida uma boa concordância entre os resultados teóricos e
experimentais.
1000
Al-9%Si
o
Temperatura ( C)
800
600
400
Termopar 5 mm
200
Simulada - hi = 3800(t)
-0,38
2
[W/m K]
0
0
10
20
30
40
50
60
Tempo (s)
Figura 5. Curvas teórica e experimental de resfriamento correspondentes ao termopar localizado a 5 mm da
superfície de extração de calor e respectiva equação obtida para valores de hi.
A Figura (6) apresenta o perfil de h i durante a solidificação horizontal da liga Al-9%Si. Verifica-se que os
valores do coeficiente de transferência de calor são mais elevados nos instantes iniciais da solidificação, ou seja, antes
da formação do “gap” de ar na interface metal/molde do que aqueles medidos após a formação do mesmo. Nota-se,
também, que hi sofre uma drástica redução nos instantes iniciais do processo, principalmente nos primeiros cinqüenta
segundos, em seguida ocorre uma gradual redução nos valores do mesmo e, finalmente, estes permanecem praticamente
constantes até o final da solidificação. Alguns cuidados devem ser tomados ao tentar explicar-se a tendência geral do
comportamento do h i de uma liga qualquer pois importantes fatores tais como o teor de soluto, a fluidez da liga, o
intervalo de solidificação, a direção do crescimento e as propriedades termofísicas do metal e do molde são alguns
daqueles que influenciam essa tendência. Somente a integração de tais fatores permitirá estabelecer o efeito do teor de
soluto sobre o h i.
2000
1800
Al-9%Si
1600
2
hi (W/m K)
1400
1200
hi = 3800(t)-0,38 [W/m2K]
1000
800
600
400
200
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Tempo (s)
Figura 6. Perfil de hi em função do tempo durante a solidificação da liga investigada.
6º C ON G R E S S O B R A SIL EIR O D E E N G EN H A R I A D E F AB R I C A Ç Ã O 1 1 a 15 d e A b ri l d e 20 11. Ca xia s d o Su l - R S
A Tabela (3) apresenta os valores obtidos neste trabalho e aqueles levantados por Peres et al (2004) para o
coeficiente de transferência de calor na interface metal/molde durante a solidificação direcional transiente da liga Al9%Si estudada em sistemas com diferentes configurações. A condição de contato térmico na interface metal-molde
assumida pelos autores foi padronizada com a extração de calor sendo realizada através de superfície de contato polida.
Tabela 3. Valores dos coeficientes de transferência de calor na interface metal/molde obtidos para a liga Al-9%Si
investigada neste trabalho e aqueles levantados por Peres et al (2004).
Autor
Sistema
Peres et
al.
Presente
Trabalho
Vertical
Ascendente
Horizontal
Convecção
no Líquido
Não
Sim
Condição
do Molde
Aço Inox
Polido
Aço Inox
Polido
Liga
Al-9%Si
Superaquecimento
(K)
2ºC
hi
(W/m2K)
3300 (t) -0,09
Al-9%Si
60,4ºC
3800 (t) -0,38
A Figura (7) compara os perfis de h i conseguidos neste trabalho com os obtidos por Peres et al durante a
solidificação unidirecional transiente da liga Al-9%Si. Observa-se que o perfil levantado para o caso da solidificação
vertical ascendente apresenta um comportamento semelhante ao daquele conseguido neste trabalho, ou seja, os valores
de hi são mais elevados nos instantes iniciais da solidificação como resultado do melhor contato superficial entre a
camada de metal solidificada e o molde. Em seguida, os mesmos decrescem rapidamente para valores praticamente
estáveis devido aos efeitos da contração do sólido que possibilitam a formação de vazios na interface metal/molde. No
entanto, o perfil obtido por Peres et al, com exceção dos instantes iniciais do processo, é bem mais elevado em função
da configuração geométrica do sistema vertical ascendente permitir uma melhor molhabilidade e, portanto, um melhor
contato térmico na interface metal/câmara de refrigeração em relação ao sistema horizontal no qual o sólido tende a
separar-se das paredes laterais internas do molde durante o processo de solidificação.
4000
Al-9%Si
-0,38
hi = 3800(t)
- Sistema Horizontal
-0,09
hi = 3300(t)
- Sistema Vertical Ascendente
2
hi (W/m K)
3000
2000
1000
0
0
100
200
300
400
500
Tempo (s)
Figura 7. Perfis de hi em função do tempo para a liga Al-9%Si solidificada nas direções horizontal e vertical
ascendente.
4. CONCLUSÃO
Experimentos foram realizados com o objetivo de investigar o coeficiente de transferência de calor na interface
metal/molde durante a solidificação direcional em regime transiente da liga Al-9%Si em um sistema horizontal
refrigerado a água. As principais conclusões obtidas a partir do estudo realizado foram as seguintes:
 O estudo teórico-experimental desenvolvido foi capaz de prever satisfatoriamente os valores de hi da liga Al9%Si estudada quando solidificada direcionalmente nas condições acima referidas.
 Os valores de hi podem ser representados pela equação na forma de potência em função do tempo 3800(t)-0,38.
 A análise comparativa dos resultados deste trabalho com aqueles obtidos por outros autores para o caso da
solidificação direcional em regime transiente da liga Al-9%Si em um sistema vertical ascendente refrigerado a
água revela importantes diferenças nos valores de h i quando são considerados sistemas de solidificação que
6º C ON G R E S S O B R A SIL EIR O D E E N G EN H A R I A D E F AB R I C A Ç Ã O 1 1 a 15 d e A b ri l d e 20 11. Ca xia s d o Su l - R S
permitem diferentes direções de crescimento para o sólido. Assim, o coeficiente de transferência de calor
interfacial é significativamente influenciado pela direção da solidificação em relação ao vetor gravidade.
 O resultado experimental obtidos para h i representa um valor que é válido somente para as condições
particulares em que foi medido podendo ser utilizados, portanto, apenas como referência em outros tipos de
aplicações práticas.
5. AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o apoio financeiro proporcionado pelo Instituto Federal de Educação, Ciência e
Tecnologia do Pará – IFPA, da Universidade Federal do Pará – UFPA e da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado
do Pará – FAPESPA.
6. REFERÊNCIAS
Ares, A.E. and Schvezov, C.E., 2000, “Solidification Parameters During the Columnar-to-Equiaxed Transition in LeadTin Alloys”, Metallurgical and Materials Transactions, Vol. 31A, pp. 1611-1625.
Aweda, J.O. and Adeyemi, M.B, 2009, “Experimental determination of heat transfer coefficients during squeeze casting
of aluminium”, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 209, pp.1477–1483.
Canté, M.V., Cruz, K.S., Spinelli, J.E., Cheung, N. and Garcia, A., 2007, “Experimental Analysis of the Columnar-toEquiaxed Transition in Directionally Solidified Al–Ni and Al–Sn Alloys”, Materials Letters, Vol. 61, pp. 21352138.
Cheung, N., Ferreira, I.L., Pariona, M.M., Quaresma, J.M.V. and Garcia, A., 2009, “Melt characteristics and
solidification growth direction with respect to gravity affecting the interfacial heat transfer coefficient of chill
castings”, Materials and Design, Vol. 30, pp. 3592-3601.
Cheung, N., Santos, N.S., Quaresma, J.M.V., Dulikravich, G.S. and Garcia, A., 2009, “Interfacial heat transfer
coefficients and solidification of an aluminum alloy in a Rotary continuous caster”, International Journal of Heat
and Mass Transfer, Vol. 52, pp. 451–459.
Da-shan, S. and Zhen-shan, C., 2008, “Regularized determination of interfacial heat transfer coefficient during ZL102
solidification process”, Transactions of Nonferrous Metals Society China, Vol. 18, pp. 399-404.
Ferreira, I.L., Spinelli, J.E., Nestler, B. and Garcia, A., 2008, “Influences of solute content, melt superheat and growth
direction on the transient metal/mold interfacial heat transfer coefficient during solidification of Sn–Pb alloys”,
Mater. Chemis. Phys, Vol. 111, pp. 444–454.
Fortin, G., Louchez, P. and Samuel, F.H., 1992, “Factors controlling heat transfer coefficients at the metal–mold
interface during solidification of aluminum alloys: an analytical study”, AFS Trans, Vol. 100 , Vol. 863–871.
Griffiths, W.D., 2000, “Modelled heat transfer coefficients for Al-7wt%Si alloy castings unidirectionally solidified
horizontally and vertically downwards”, Materials Science and Technoogy. Vol.16, pp. 255-260.
Hallam, C.P. and Griffiths, W.D., 2004, “A model of the interfacial heat-transfer coefficient for the aluminum gravity
die-casting process”, Metall. Mater. Trans, Vol. 35, pp. 721–733.
Hwang, J.C., Chuang, H.T., Jong, S.H. and Hwang, W.S., 1994, “Measurement of heat transfer coefficient at
metal/mold interface during casting”, American Foundry Society Transactions, Vol. 102, pp. 877–883.
Khan, S., Ravindran, C., Naylor, D. and Sharma, D.G.R., 2000, “Measurement of interface heat transfer coefficient
LFC of A356 Al alloy”, American Foundry Society Transactions, Vol. 108, pp. 445–452.
Kim, T.G. and Lee, Z.H., 1997, “Time-varying heat transfer coefficients between tube-shaped casting and metal mold”,
International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 40, pp. 3513-3525.
Peres, M.D., Siqueira, C.A. and Garcia, A., 2004, “Macrostructural and microstructural development in Al–Si alloys
directionally solidified under unsteady-state conditions”, Journal of Alloys and Compounds, Vol. 381, pp. 168–181.
Sahin, H.M., Kocatepe, K., Kayikci, R. and Akar, N., 2006, “Determination of unidirectional heat transfer coefficient
during unsteady-state solidification at metal casting–chill interface”, Energy Conversion & Management, Vol. 47,
pp.19–34.
Santos, C.A., Quaresma, J.M.V. and Garcia, A., 2001, “Determination of transient interfacial heat transfer coefficients
in chill mold castings”, Journal of Alloys and Compounds. Vol. 319, pp.174–186.
Spinelli, J.E., Ferreira, I.L. and Garcia, A., 2004, “Influence of Melt Convection on the Columnar to Equiaxed
Transition and Microstructure of Downward Unsteady-State Directionally Solidified Sn–Pb Alloys”, Journal of
Alloys and Compounds, Vol. 384, pp. 217-226.
7. DIREITOS AUTORAIS
Os autores são os únicos responsáveis pelo conteúdo do material impresso incluído no seu trabalho.
6º CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA DE FABRICAÇÃO
th
6 BRAZILIAN CONFERENCE ON MANUFACTURING ENGINEERING
11 a 15 de abril de 2011 – Caxias do Sul – RS - Brasil
April 11th to 15th, 2011 – Caxias do Sul – RS – Brazil
DETERMINATION OF INTERFACIAL HEAT TRANSFER COEFFICIENT
DURING TRANSIENT DIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF Al-9%Si
ALLOY IN HORIZONTAL SYSTEMS
Diego de Leon Brito Carvalho, e-mail: [email protected]
Andréa Moreira Moutinho, e-mail: [email protected]
Antonio Luciano Seabra Moreira, e-mail: [email protected]
Daniel Joaquim da Conceição Moutinho, e-mail: [email protected]
Otávio Fernandes Lima da Rocha, e-mail: [email protected]
1
2
Universidade Federal do Pará, Rua Augusto Corrêa n o 1, Guamá, CEP: 66075-110 – Belém-PA
Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia do Pará Av. Almirante Barroso no 1155, Marco, CEP: 66093-020
Belém-PA
Abstract. The phenomenon analysis of heat transfer during the solidification of an alloy in a metal/mold system is very
complex because it depends of the boundary conditions assumed, thermophysical properties of the mold,
thermophysical properties of the alloy and the temperature distribution in the casting . During the solidification
process, these parameters vary with time and temperature. The interfacial heat transfer coefficient (hi) for horizontally
unidirectional solidification in Al–9wt%Si hypoeutectic alloy was measured during solidification in presence of
thermo-solutal convection. A water-cooled solidification experimental set up has been developed, and specimens have
been solidified under transient heat flow conditions. The thermal contact condition at the metal/mold interface was
patterned with the surface of heat extraction polished. Thermocouples have been connected with the metal, and the
time–temperature data have been recorded automatically. A numerical technique which compares theoretical and
experimental is used to analyze the hi values. The interfacial heat transfer coefficient of the alloy studied is represented
by an equation which shows the time dependence during the process. The experimental and calculated values have
shown a very good agreement. Finally, a comparative study between the values of hi obtained in present work and the
results proposed in the literature to determine the heat transfer coefficient during upward vertical unidirectional
solidification under transient conditions of heat extraction from the alloy investigated is presented.
Keywords: solidification, directional, horizontal, transient, Al-Si alloys.
©
Associação Brasileira de Engenharia e Ciências Mecânicas 2011