Modelamento térmico da têmpera de esferas : uma aplicação da modelagem em volumes finitos na otimização de processos multivariados

Abstract

RESUMO: O presente trabalho objetivou o desenvolvimento de um modelo computacional para cálculo do comportamento térmico de esferas durante têmpera em meio líquido. Utilizou-se do método dos volumes finitos para cálculos de condução e de outras técnicas computacionais avançadas para cálculos de troca de calor superficial. Este modelo foi desenvolvido de forma a também ser realizado acoplamento com processamento de resfriamento em múltiplas etapas com condições diferentes. Dentre as partes integrantes do modelo térmico encontram-se seções independentes para cálculo de propriedades relevantes de água e avaliação da temperatura de Leidenfrost de maneira semiempírica. Desenvolveu-se também um modelo mecânico que utiliza os resultados do modelo térmico para avaliar os aspectos termomecânicos da têmpera, especialmente tensão superficial. De posse do modelo térmico já finalizado, o mesmo foi utilizado em simulações para avaliar os efeitos globais dos seguintes parâmetros de processo: temperatura do líquido de imersão, temperatura pré-têmpera e propriedades do material base. Por fim, foi avaliada e validada a capacidade preditiva do modelo com base em experimentos e outros modelos descritos em literatura especializada. Definiram-se os limites onde ocorre máximo poder preditivo do modelo: diâmetros entre 20 a 100mm e temperaturas de água de resfriamento entre 15 e 80°C. Foi, também, discutido o impacto produtivo e comercial de modelos computacionais para a produção industrial de esferas na perspectiva da indústria 4.0. Especificamente, o caso da produção de bolas de moinho foi abordado de forma mais profunda.