ADEQUAÇÃO DE EQUIPAMENTO PARA PRODUÇÃO DE ESPUMA DE … · 2017-06-19 · tempo de expansão...

ADEQUAÇÃO DE EQUIPAMENTO PARA PRODUÇÃO DE ESPUMA DE ALUMÍNIO VIA LÍQUIDO

FILHO, M.O.¹*; JUNIOR, A.C.S¹; NAKAZATO, A.Z.²; ASSIS, W.L.S.²;

FERRANDINI, P.L.¹

1 - Departamento de Materiais e Tecnologia - Universidad Estadual

Paulista - Unesp

2 - Escola de Engenharia de Volta Redonda – Universidade Federal

Fluminense – UFF

* Rua Sebastião Jose Rodrigues, Nº 35, Apto 1104, Campos Eliseos,

Resende – RJ, CEP 27542060, [email protected].

RESUMO Espumas de alumínio apresentam ótima combinação de propriedades,

que as tornam ótima opção para aplicações onde se exige baixa densidade,

tenacidade, isolação térmica e acústica. Embora tais características, esse

material ainda é pouco utilizado industrialmente. Para produzir este material,

com um processo similar ao “Alporas”, um forno vertical foi adaptado,

recebendo um sistema mecânico de agitação do líquido e novo sistema de

controle de temperatura, podendo trabalhar sob temperaturas próximas a

700ºC e várias velocidades de rotação do agitador. Foram produzidas amostras

utilizando CaCO3 como agente espumante e alumínio comercialmente puro. As

variáveis temperatura de processamento, tempo de mistura, quantidade de

alumínio e tempo de expansão foram estudadas e o sistema mostrou-se

confiável. Os resultados obtidos foram quantificados pela morfologia de poros e

também pela eficiência do processo. Para as condições analisadas, a melhor

temperatura de processamento foi 750°C, tempo de mistura 180 segundos e

tempo de expansão 300 segundos.

Palavras-chaves: Espumas metálicas, CaCO3, Forno vertical, Alporas.

22º CBECiMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais06 a 10 de Novembro de 2016, Natal, RN, Brasil

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INTRODUÇÃO As espumas de alumínio são materiais que combinam propriedades

típicas dos materiais celulares com a dos metais (1). Estes materiais

começaram a ter um grande interesse de diferentes setores da indústria, visto

que tem combinações únicas: baixa densidade, boa absorção de impacto, bom

isolamento térmico, bom isolamento acústico, bom redutor de vibração, não

são inflamáveis e são recicláveis (2,3). Existem atualmente várias técnicas para

a produção de espumas de alumínio. No entanto, espumas produzidas pelo

processo Alporas são as que tem alta produtividade, processo mais barato de

fabricação, melhor homogeneidade do material produzido e com a patente

expirada (3,4). Logo é um método de produção muito interessante, visto que

duas principais razões que dificultam a utilização das espumas na indústria,

são a dificuldade do controle de processo e o alto custo de produção (5). O

processo Alporas é normalmente dividido em 5 etapas de fabricação:

aquecimento do metal até sua fusão; adição de Ca como agente estabilizador;

adição de como agente espumante; tempo de expansão e resfriamento do

material produzido (6). No entanto, durante o processo de confecção das

espumas, o material sofre algumas influências como o efeito da gravidade,

coalescência de poros e a perda de gás na adição do agente espumante ao

metal líquido (7,8,9). Uma forma de observar o efeito de drenagem (efeito

gravitacional) é a relação da zona livre de bolhas e a região espumada, deste

efeito é possível obter o rendimento do processo, já que quanto menor a zona

livre de bolhas maior será o rendimento do processo (10,11). Sendo que, uma

das maneiras de reduzir o efeito gravitacional durante o processo é a utilização

de partículas estabilizadoras e/ou a utilização de agente espumantes com

maior dissociação de gás (12). Já a coalescência de poros tem forte influência

da tensão superficial da parede das bolhas (13). Esta pode ser provocada pelo

alongamento, de duas bolhas vizinhas, durante a inflação das bolhas e/ou

dobras, rugas e fissuras originadas durante o fluxo turbulento entre a camada

de óxido e metal fundido, e das diferenças de expansão térmicas entre a

película de óxido e a liga fundida(14). Este efeito é reduzido com a adição de

agentes estabilizadores e com a formação de óxidos na parede dos poros. Pois

esses aumentam a tensão superficial dessas paredes (semi-líquida) e formam

uma película que dificulta esse rompimento. No processo de fabricação, o


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carbonato de cálcio dissocia, , quando submetido a aquecimento, e esse

gás auxilia na formação de óxidos nas paredes dos poros. Portanto, com a

utilização desse material, é possível reduzir um insumo (agente estabilizador),

uma etapa do processo, custo do material, pois como é um material de baixo

custo (comparado ao e é facilmente encontrado (15). Tornando assim, este

um dos possíveis candidatos para utilização no processo de fabricação de

espumas. Como estes materiais começam a ter um grande interesse por

alguns ramos da indústria, é interessante o Brasil conhecer o processo e

entender suas variáveis, visto que a indústria brasileira ainda não produz

espumas de alumínio, via rota líquida, e portanto ainda não tiram proveito

desse nicho de mercado. Com isso, esse trabalho buscou adaptar um

equipamento para produzir e estudar espumas de alumínio via rota líquida,

sendo que esse aparelho deve suportar todas as solicitações e a dinâmica de

processo. Posteriormente analisando a estrutura da espuma produzida,

encontrar os melhores parâmetros para a produção da mesma.

MATERIAIS E MÉTODOS Materiais Para a obtenção deste material, foi modernizado um forno vertical,

conforme Figura 1, que suportasse e tivesse toda a dinâmica necessária para

realizar o processo. Para o sistema de mistura, foi utilizado um inversor de

frequência para controle da rotação do motor, um motor bifásico, sistema com

dois mancais rolamentados, dois pinhões, corrente, eixo inox 304 e com um

eixo intercambiável com pás para mistura. Para o isolamento térmico do forno,

foi utilizado manta térmica kaowool Bk, tanto na parte superior (região de

acesso do eixo), como na parte inferior (suporte para fixação do cadinho). Para

o controle de temperatura, foi utilizado um controlador CPTM45 e um termopar

localizado a 149 mm da base do suporte do cadinho.


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s

Figura 1- Forno vertical modernizado.

Já a liga utilizada, foi analisada via espectrômetro de emissão óptica,

cujo os elementos podem ser observados na Tabela 1.

Tabela 1 – Elementos da liga de alumínio.

Elemento Al Si Fe Mn Mg Ti

Concentração

média 97% 1,27% 0,22% 0,54% 0,87% 0,03%

O agente espumante, utilizado foi o em pó, onde este foi

analisado por difração de raios X, com 2Ɵ=10° a 90°, 25mA, 40 KV, fenda de

0,6 mm e com passo de 0,02, e por análise termogravimétrica, cuja a análise

obtida foi feita com uma taxa de aquecimento de 3,5ºC / minuto e com uma

análise até 1000ºC.

Métodos Para a obtenção das espumas, foi utilizado as seguintes etapas: forno

mufla para fusão do alumínio; este alumínio, após e retirada da escória e da

estabilização da temperatura, é vertido em um cadinho contendo carbonato de

cálcio; o cadinho é depositado em um suporte na base inferior do forno, este

suporte então é erguido até a posição de trabalho dentro do forno; após a

colocação do material, é acionado o motor para homogeneização do material;


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após o tempo de mistura, o sistema do rotor com pás e motor, é erguido;

posteriormente o material é deixado no forno por tempos determinados de

expansão; para assim ser retirado do forno e resfriado ao ar tranquilo. Os

parâmetros de processo variados foram: tempo de mistura (60 e 180

segundos), massa de alumínio fundido (aproximadamente de 200 e 400

gramas), temperatura do forno de fusão (700, 750 e 850ºC) e tempo de

expansão (300, 600 e 900 segundos). Sendo que para todos os experimentos,

foi utilizado 3,5 % em massa de a 1000 rpm de rotação do misturador.

Posteriormente foram observados o tamanho de poros e a relação das alturas

entre zona livre de bolhas e zona espumada, conforme pode ser observado

pela equação (1).

(

1)

Onde, H é a altura da espuma e é a altura da zona livre de bolhas.

RESULTADOS E DISCUSSÃO Para o sistema de mistura, como o motor tem a temperatura ótima de

trabalho de 40ºC e como a elevação de temperatura pode degradar o

isolamento das espiras, foi proposto deslocar o motor em relação ao ponto de

acesso do forno, conforme Figura 2, auxiliando assim sua proteção, pois

mesmo com o forno a 850ºC, durante o processo, o motor ficou a temperaturas

próximas as de trabalho. Já utilização dos mancais com rolamento, auxiliou a

dar estabilidade ao eixo, mesmo em altas rotações. A utilização do eixo

intercambiável, não afetou a estabilidade do conjunto e ajudou na troca das pás

da hélice quando estas se desgastaram durante o processo.


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Figura 2- Sistema de mistura do forno vertical.

A utilização da manta kaowool Bk, não só auxiliou na estabilidade

térmica do forno, mas também na proteção de todo o sistema de mistura. Visto

que reduziu a perda de calor promovida pela convecção natural do forno.

Já o comportamento termogravimétrico e a da difração raios x do

podem ser observados na Figura 3, sendo que em Figura 3 (a) é

possível observar a perda de massa do carbonato de cálcio e que a 850ºC

(máxima temperatura de derramamento do alumínio), o material perde por volta

de 17,78% em massa. Já para a análise de raios-x, conforme Figura 3 (b) foi

observado um pico secundário, não característico para o raios-x do .

Demonstrando ser alguma impureza no material.

Figura 3 – (a) análise termogravimétrica da massa e de sua derivada, (b) análise de raios-x.


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Para a otimização dos melhores parâmetros de processo para esse

equipamento, foram produzidas oito amostras conforme a Tabela 2, onde a

única constante foram a concentração de e a rotação do misturador.

Tabela 2 – Parâmetros do processo de fabricação de espuma via rota líquida.

Amostra Massa

Al (g)

Porcentagem

em massa de

Temperatura

do forno de

fusão (C°)

Temperatura

do forno de

mistura (C°)

Rotação

do eixo

(rpm)

Tempo

de

rotação

(s)

Tempo

de

expansão

(s)

1A 405,19

4 3,5 850 750 1000 180 900

2A 397,73

9 3,5 850 750 1000 180 600

3A 394,48

5 3,5 850 750 1000 180 600

4A 404,25

9 3,5 850 750 1000 60 600

5A 406,86

4 3,5 750 740 1000 180 600

6A 203,56

1 3,5 750 740 1000 180 600

7A 199,01

1 3,5 700 750 1000 180 600

8A 197,90

2 3,5 700 750 1000 180 300

Já a Tabela 3, é possível observar as amostras produzidas e seus

respectivos rendimentos. Sendo que as amostras 1A, 2A, 3A e 4A é possível

observar uma perda excessiva de gás para o meio, já que quando o material é

vazado no cadinho com , o metal líquido está a uma temperatura muito

elevada, promovendo uma rápida dissociação. Também é possível observar a

formação de poros grande e da coalescência de poros. Já que com

temperatura mais elevadas, ou um aglomerado ( gerou o poro de

tamanho mais elevado ou ocorreu a coalescência. Já com a amostra 5A é

possível observar uma redução no tamanho de poros, principalmente a não

formação de poros grandes. No entanto, todas as amostras 1A, 2A, 3A, 4A e

5A tiveram baixo rendimento. Portanto, foi adotado uma redução de

aproximadamente 50% do volume de alumínio usado, para que assim


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aumentasse a influência da hélice de mistura durante o processo. Com isso, é

possível notar, a partir da amostra 6A, um aumento no rendimento. Portanto

para a amostra 7A, foi adotado a redução da temperatura do forno de fusão, e

isso acarretou a um aumento no rendimento do processo. Já a amostra 8A foi

reduzido o tempo de expansão. Com isso o alumínio líquido tem menos tempo

de escoar por entre as paredes dos poros, logo aumentando o rendimento do

produto final.

Tabela 3 – Amostra produzidas via forno modernizado.

Amostra 1A Amostra 2A Amostra 3A

𝜼 = 0,4392 𝜼 = 0,5985 𝜼 = 0,3238

Amostra 4A Amostra 5A Amostra 6ª

𝜼 = 0,247 𝜼 = 0,3076 𝜼 = 0,7578

Amostra 7A Amostra 8A


7634

𝜼 = 0,84 𝜼 = 0,8785

CONCLUSÕES O equipamento não só suportou os requisitos do processo, como

conseguiu fazer toda a dinâmica de processo a qual foi requisitado. Já o

processo, foi possível observar uma grande influência da zona livre de bolhas e

como isto, foi influenciado pela temperatura de vazamento, quantidade de

material usado e tempo de expansão. Sendo que as adequações desses

parâmetros reduziram o efeito de drenagem, logo foram responsáveis pelo

aumento da eficiência do produto final.

AGRADECIMENTOS Agradeço a Unesp por todo o suporte para a realização desse projeto, a

CAPES pela bolsa de mestrado.

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ADAPTED EQUIPMENT FOR ALUMINIUM FOAM PRODUCTION VIA LIQUID ROUTE

Aluminium foam have excellent combination of properties and are a great

choice for applications where requires low density, toughness, thermal and

acoustic insulation. Despite these characteristics this material is not widely

industrially yet. To produce this material, in a similar “Alporas” process a vertical

furnace was adapted, assembling a mechanical system of agitation of the liquid,

variable, and new temperature control system, which can work at temperatures

near 700ºC and mix in different speeds. Several samples using as a

foaming agent and a commercial aluminium were produced. The processing

variable temperature, mixing time, aluminium amount and holding time were

studied and the system proved reliable. The results were quantitated by

morphology and distribution of pores and also the process efficiency. For the

conditions evaluated, the best processing temperature was 750ºC, 180 seconds

mixing time and 300 seconds expansion time.


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