Modelagem e simulação de processos de solidificação

• Processo: 01/01342-5
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
• Data de Início da vigência: 01 de outubro de 2001
• Data de Término da vigência: 30 de setembro de 2005
• Área do conhecimento: Engenharias - Engenharia de Materiais e Metalúrgica
• Pesquisador responsável: Amauri Garcia
• Beneficiário: Amauri Garcia
• Instituição Sede: Faculdade de Engenharia Mecânica (FEM). Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). Campinas , SP, Brasil
• Município da Instituição Sede: Campinas
• Pesquisadores principais: Maria Clara Filippini Ierardi
• Bolsa(s) vinculada(s): 05/54458-1 - Correlacao entre parametros da microestrutura de solidificacao e as resistencias mecanicas ao desgate de ligas al-sn e al-si. -sn e al-si., BP.DR; 05/51334-0 - Investigacao da transicao celular/dendritica para uma liga do sistema pb-sb e a sua correlacao com os parametros termicos da solidificacao unidirecional transitoria., BP.IC; 05/51566-8 - Caracterizacao microestrutural de amostras de ferro fundido cinzento tratadas por refusao superficial a laser., BP.IC; + mais bolsas vinculadas 04/03459-5 - Analise da influencia de correntes convectivas na transicao celular/dendritica, nos espacamentos dendriticos e na macrossegracao na solidificacao uniderecional transitoria., BP.DR; 04/06829-8 - Mudancas microestruturais e resistencia a corrosao dos acos inoxidaveis duplex uns s32205 e uns s32304 usandos na industria do petroleo apos submetidos a fusao superficial por laser., BP.MS; 04/01608-3 - Otimização de um modelo matemático de controle da solidificação no lingotamento contínuo de aços através da inserção de condições industriais de transferência de calor no molde, BP.PD; 03/11255-8 - Resistência ao desgaste abrasivo à escala micro e resistência a corrosão de revestimentos tratados a laser, BP.PD; 03/05674-8 - Influencia de tratamentos a laser na resistencia a corrosao de instrumentais cirurgicos., BP.MS; 02/08138-7 - Transição colunar/equiaxial na solidificação unidirecional: vertical ascendente e horizontal, BP.PD; 02/00527-4 - Análise de parâmetros térmicos, estruturais e de composição na solidificação unidirecional vertical (ascendente e descendente) de ligas binárias, BP.DR; 00/14314-7 - Modelagem matemática da solidificação e aplicação de estratégias de controle inteligente nas etapas de resfriamento do lingotamento contínuo de aços, BP.PD - menos bolsas vinculadas
• Assunto(s): Lingotamento contínuo Modelos matemáticos Fundição (processos de fabricação) Solidificação
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Lingotamento Continuo | Modelagem Matematica | Processos De Fundicao | Solidificacao

Resumo

O objetivo geral desta proposta de projeto consiste na integração das atividades de pesquisa de grupos atuantes, de forma direta ou correlata, na área de solidificação de metais e ligas, dentro das seguintes instituições: Departamento de Engenharia de Materiais: DEMA-UNICAMP (proponente), Escola de Engenharia de São Carlos - EESC, Universidade Federal do Rio Grande do Sul -UFRGS e Instituto Superior Técnico de Lisboa- IST (participantes), e Instituto de Pesquisas Tecnológicas - IPT e Faculdade de Engenharia Química de Lorena -FAENQUIL (colaboradoras). O núcleo central dessa iniciativa se localizará no DEMA-UNICAMP, que já apresenta um histórico anterior de interação em pesquisas com cada uma dessas instituições. Esse projeto, desenvolvido a partir desse núcleo, permitirá a consolidação dessa interação interinstitucional, através de atividades de pesquisa centradas no tema modelagem e simulação da solidificação. Serão 03 subprojetos, cujo direcionamento a cada uma das instituições envolvidas dependerá do histórico anterior e das tendências e interesses de pesquisa vigentes em cada uma. O sub-projeto 01 aborda o lingotamento continuo de tarugos, blocos e placas de aços, o lingotamento contínuo horizontal de não-ferrosos e o lingotamento oontínuo de tiras. Modelos matemáticos serão desenvolvidos para a análise da solidifícação ao longo desses processos, buscando-se uma generalização em sua formulação de tal forma que possam ser aplicados às diferentes geometrias lingotadas. Será adotada uma analogia entre circuitos elétricos e sistemas térmicos, e desenvolvido um método de acoplamento de malhas numéricas de diferentes tamanhos e geometrias, para incrementar a versatilidade dos modelos numéricos. A validação dos modelos matemáticos será baseada em resultados experimentais da literatura, em comparações com outros modelos já aferidos e em resultados acessíveis decorrentes da prática industrial. No caso do lingotamento contínuo horizontal estão planejados experimentos que serão executados em um equipamento piloto desenvolvido no Laboratório de Fundição da UFRGS. Técnicas de Inteligência Artificial serão implementadas em algoritmos de controle desse processo, baseados nos modelos desenvolvidos, permitindo a busca automática de condições otimizadas de operação. Ainda dentro desse sub-projeto, objetiva-se estudar duas vertentes de qualidade no lingotamento continuo de aços: a análise termodinâmica da formação de inclusões ao longo das diferentes etapas do lingotamento continuo e sua correlação com os aspectos térmicos do Processo analisado via modelos matemáticos de solidificação; e o desenvolvimento de trincas durante o processo e sua correlação com parâmetros térmicos que regem a solidificação e interação mecânica máquina-lingote. A primeira vertente, baseada em uma análise termodinâmica será realizada com o auxílio de uma ferramenta computacional denominada Thermo-Calc. 0 Thermo-Calc é um banco de dados para química inorgânica e metalurgia, e ao mesmo tempo é uma ferramenta poderosa e flexível para cálculos termodinàmicos e de diagramas de fase. Pretende-se também desenvolver um programa computacional que permita a representação e interpretação das inclusões em diagramas ternários. A validação experimental será baseada em amostras, coletadas em siderúrgica nacional em diferentes etapas da fabricação, e que serão caracterizadas a partir de uma técnica de dissolução da matriz ferrítica e de análise em MEV. A outra vertente, que analisará a possibilidade de surgimento de trincas, será desenvolvida a partir de uma interação entre modelos matemáticos de solidificação, uma base de conhecimento montada com dados da literatura e dados práticos, e técnicas de Inteligência Artificial utilizando-se de busca heurística para soluções que minimizem a formação de trincas. Quanto ao lingotamento contínuo de tiras finas de aços, processo Twin-Roll, a viabilização industrial depende em grande parte do sucesso da implantação de sistemas de controle de altíssima eficiência e de possibilidades de reajustes operacionais extremamente rápidos. Nesse sentido, a análise matemática das transferências de calor e massa que ocorrem durante o processo é fundamental no sentido de fornecer informações vitais ao sistema de controle. 0 fluxo de metal liquido será estudado a partir da construção de um modelo físico e de simulações a frio, A partir do contato do metal liquido com os rolos cilíndricos refrigerados, a solidificação tem início e é dominada pela resistência térmica metallrolo, que precisa ser caracterizada e traduzida em termos de coeficientes varáveis de transferência de calor meta/rolo. A modelagem numérica do processo a ser desenvolvida, dependerá da maior precisão possível nos valores desses coeficientes para gerar simulações confiáveis. O modelo numérico deverá constituir-se na base do sistema de controle, que terá técnicas de Inteligência Artificial inseridas dentro do algorítmo computacional. A ancoragem experimental desse sub-projeto será desenvolvida no IPT-SP, em um equipamento piloto de lingotamento continuo de tiras. O sub-projeto 02 analisará a influência dos fluxos de calor e de espécies ao longo da solidificação, sobre a formação da macroestrutura e da microestrutura. Pretende-se desenvolver modelos numéricos que acoplem transferência de calor e transferência de massa, e que permitam trazer uma maior compreensão dos efeitos da cinética de solidificação sobre a redistribuição do soluto. Sob ponto de vista da macroestrutura será abordada a transição colunarlequiaxial, ainda sem bases convincentes a respeito dos fatores que determinam a transição, apesar de trabalhos teórico-experimentais publicados recentemente na literatura internacional. Sob ponto de vista da microestrutura será abordada a transição celular/dendrítica e o crescimento dendrítico, procurando-se estabelecer validações ou calibrações de leis de crescimento para solidificação em situações de fluxo de calor transitório. A literatura é rica em análises de crescimentos celulares e dendríticos para solidificação controlada em laboratório, mas extremamente pobre quando se trata da análise da formação dessas microestruturas formadas na enorme maioria das condições práticas de lingotamento ou fundição, qual seja fluxo de calor transitório. Correlações entre parâmetros da estrutura dendrítica e propriedades mecânicas serão efetuadas com o intuito de desenvolver relações quantitativas entre essas propriedades e as condições vigentes na solidificação. 0 sub-projeto 03 aborda o estudo dos tratamentos superficiais que se utilizam do Laser como fonte de calor. Esses tratamentos já alcançaram status industrial, principalmente na indústria automotiva, e podem ser divididos em tratamentos no estado sólido, e tratamentos que envolvem a refusão de camadas superficiais, com ou sem a adição de pós ou ligas metálicas para modificação da composição quimica superficial. O planejamento e o controle desse tipo de tratamento superficial toma-se mais acessivel caso exista uma ferramenta matemática capaz de analisar os fenômenos de aquecimento e subsequente resfriamento da camada afetada. Esse sub-projeto objetiva o desenvolvimento de dois modelos matemáticos para essa finalidade: um modelo que analise a interação entre o feixe Laser e o material a ser tratado, e um modelo que analise o resfriamento, ou seja, no caso em que se atinja a fusão o modelo deverá analisar a solidificação da camada atingida pelo tratamento, e que se dará em condições de resfriamento ultra-rápido. Pretende-se também nesse projeto, inserir técnicas de Inteligência Artificial para a busca automática das melhores condições de operação do feixe Laser, em função das dimensões da seção a ser tratada, e da microestrutura desejada quando tratar-se de resolidificação. Simulações numéricas serão confrontadas com resultados experimentais relativos a: endurecimento superficial por transformação martensítica, modificação microestrutural por refusão, soldagem a Laser e desenvolvimento de camadas resistentes à abrasão. Parte dos trabalhos experimentais será desenvolvida no IST em Lisboa, com as despesas referentes às mobilidades entre as instituições cobertas, em parte, por um acordo CAPES de cooperação internacional vigente entre ambos os paises. Dentro desses 03 sub-projetos planeja-se desenvolver ao todo 13 linhas de pesquisa, envolvendo além dos pesquisadores vinculados à UNICAMP, EESC, UFRGS e IST, 05 pós-doutorandos, 14 doutorandos, 07 mestrandos e 06 alunos de iniciação científica. (AU)