UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE … · para o cloreto de sódio, hidróxido de...

UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE SÃO CARLOS

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA DE MATERIAIS

.

GUSTAVO PENTEADO DELBONI

ESTUDO DE SILICATOS, CARBONATOS E SURFACTANTES COMO ADITIVOS

PARA MEIOS DE RESFRIAMENTO NA TÊMPERA

São Carlos

2017

GUSTAVO PENTEADO DELBONI

ESTUDO DE SILICATOS, CARBONATOS E SURFACTANTES COMO ADITIVOS

PARA MEIOS DE RESFRIAMENTO NA TÊMPERA

Monografia apresentada ao Curso de

Engenharia de Materiais e Manufatura, da

Escola de Engenharia de São Carlos da

Universidade de São Paulo, como parte dos

requisitos para obtenção do título de

Engenheiro de Materiais e Manufatura

Orientadora: Prof.a Dra. Vera Lúcia Arantes

Coorientadora: Prof.a Dra. Lauralice de

Campos Franceschini Canale

São Carlos

2017

AGRADECIMENTOS

À Prof.a Dra. Lauralice de Campos F. Canale e à Prof.ª Dra Vera Lúcia Arantes, que me

guiaram em todo esse trabalho.

Ao Dr. George E. Totten, que me auxiliou sempre quando necessitava e muito contribuiu

para este trabalho.

Ao pesquisador Luigi Mazzucco que me apoiou e me auxiliou nos momentos em que

eu precisei

A pesquisadora Dra Ana Rita de Araújo Nogueira que gentilmente realizou ensaios os

quais contribuíram muito para esse trabalho.

RESUMO

DELBONI, G.P. Estudo de Silicatos, Carbonatos e Surfactantes como aditivos para meios

de resfriamento na têmpera. 2017. 63f. Monografia (Trabalho de Conclusão de Curso) –

Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, São Carlos, 2017.

No presente trabalho constam informações sobre o estudo da aplicação de diferentes

formulações de sabões industriais para máquina de lava-louça utilizados como aditivos à água

para verificação da sua eficácia como fluídos de resfriamento no tratamento térmico de têmpera.

Foram utilizadas três marcas de sabão sendo que duas delas estavam no estado sólido (pó), e

uma no estado líquido. Os sabões foram diluídos em água formando soluções com três

diferentes concentrações em massa, 0,5%, 4% e 8%. Para identificar a composição química do

sabão foi utilizada a técnica de ICP-OES (Espectrometria de Emissão Atômica por Plasma

Acoplado Indutivamente) podendo assim estudar de forma mais detalhada a influência da

composição no desempenho em resfriamento. Além disso, forma realizados ensaios também

ensaios de remolhabilidade. Os sais presentes no sabão, assim como os surfactantes

modificaram o desempenho obtido no resfriamento. Esse desempenho foi medido pela

aquisição de curvas de resfriamento a partir de uma sonda padrão instrumentada, realizadas a

partir de banho na temperatura a 25°C. Concentrações de 4% e 8% tornaram os fluidos mais

eficientes no resfriamento com alterações na duração da camada de vapor observada no

primeiro estágio de resfriamento. Os resultados foram comparados com os resultados obtidos

em solução de cloreto de sódio, hidróxido de sódio, silicato de sódio e também com a água sem

aditivos.

Palavras-chave: Têmpera, Tratamento Térmica, Fluído de Resfriamento, Silicatos, Carbonatos

e Surfactantes

ABSTRACT

DELBONI, G.P. Silicate, Carbonates and Surfactants as additives for quenchants in the

heat treatment of steels. 2017. 63p. Monograph (Final Course Thesis) - Department of

Materials Engineering, School of Engineering of São Carlos, University of São Paulo, São

Carlos, 2017.

In the present work, we present information on the study of the application of different

formulations of industrial soap for dishwasher used as additives to water to verify its

effectiveness of them as quenchants. Three brands of soap were used, two of which were in the

solid state (powder), and one in the liquid state. The soaps were diluted in water to form

solutions with three different mass concentrations, 0.50%, 4.00% and 8.00%. In order to

identify the chemical composition of the soap, the ICP-OES (Inductively Coupled Plasma

Atomic Emission Spectrometry) technique was used to study the influence of the composition

on cooling performance. In addition, tests were also carried out on towing tests. The salts

present in the soap, just as the surfactants modified the performance obtained in the cooling.

This performance was measured by the acquisition of cooling curves from an instrumented

standard probe, performed from a bath at 25 ° C. Concentrations of 4.00% and 8.00% made the

fluids more efficient in the cooling with changes in the duration of the vapor layer observed in

the first stage of cooling. The results were compared with the results obtained of sodium

hydroxide, sodium silicate solutions, and also with water without additives.and also with water

without additives.

Keywords: Quenching, Heat Treatment, Quenchy, Silicates, Carbonates and Surfactants

LISTA DE FIGURAS

Figura 1 - Diagrama CCT de um aço padrão. Adaptada de fonte: [4] ..................................... 20

Figura 2 - Variação da taxa de Resfriamento durante a Têmpera. Adaptada da fonte [5] ....... 22

Figura 3 - Polarização do aço em altas temperaturas ............................................................... 21

Figura 4– Mecanismo de ação dos cristais de sais no rompimento da camada de vapor.

Adaptada de fonte [19] ............................................................................................................. 23

Figura 5 - Efeito da concentração do sal NaCl nas taxas de resfriamento. Adaptada de fonte

[19] ........................................................................................................................................... 23

Figura 6 - Influência da temperatura de banho nas características de resfriamento da água.

Adaptada de fonte [19] ............................................................................................................. 24

Figura 7 - Etapas do resfriamento ocorrendo simultaneamente ............................................... 25

Figura 8 - Remolhamento da sonda para: (a) água; (b) 1ºe (c) 3º ensaio em nanofluido de

alumina (0.01%vol). Para temperatura de banho de 80°C [23]. ............................................... 26

Figura 9 - Chapas de alumínios distorcidas após serem temperadas com água a 30°C com

agitação média .......................................................................................................................... 26

Figura 10 - Chapas de alumínio após serem temperadas com soluções aquosas de polímeros

na concentração de 12%, temperatura do banho 40°C com agitação média ............................ 26

Figura 11 - Ângulo de Contato de uma Partícula Líquida Molhando uma Superfície Sólida.

Fonte [19] ................................................................................................................................. 27

Figura 12 - Sequência de formação da espuma a partir da formação de bolhas de ar em

soluções aquosas de tensoativos acima da CMC. Fonte [17] ................................................... 30

Figura 13 - Estrutura Molecular Característica de Substância Surfactantes [17] ..................... 30

Figura 14 - Ruptura da formação de espuma através de método "bridging-dewetting" que

consiste na ruptura do filme de espuma por meio da entrada de uma partícula hidrofóbica na

interface espuma/água. Modificado de fonte: [18]. ................... Erro! Indicador não definido.

Figura 15 - A - Aquecedor de Sonda Marchesoni®, 220V, 550W; B - Suporte, sonda diâmetro

12,5mm e recipiente aço inox; C - Aquisitor de dados National Instuments® SCXI 1000-DC;

D - Termômetro de fluido biodegradável. Fonte: autor............................................................ 34

Figura 16 -Imagem ilustrativa mostrando os pontos nos quais retirou-se as taxas de

resfriamento para cálculo do coeficiente de transferência de calor. Fonte: Autor ................... 36

Figura 17 - Alturas utilizadas para calcular os coeficientes do ensaio de espuma, onde I da

solução sem agitação, M é a altura da solução logo após ser batida no liquidificador e R é

altura da solução após 30 segundos de descanso da solução. Fonte: Autor ............................. 37

Figura 18- Curva de Resfriamento da água, e das soluções água + sabão A nas concentrações

0,5%; 4% e 8% ......................................................................................................................... 39

Figura 19 - Variação da taxa de resfriamento pelo tempo para a água destilada, e para as

soluções de água com sabão da marca A nas concentrações 0,5%, 4% e 8% .......................... 40

Figura 20 - Curva de Resfriamento da água, e das soluções água com sabão da marca B nas

concentrações 0,5%; 4% e 8% .................................................................................................. 42


soluções de água com sabão da marca B nas concentrações 0,5%, 4% e 8% .. Erro! Indicador

não definido.

Figura 22 - Curva de Resfriamento da água, e das soluções água com sabão da marca C nas

concentrações 0,5%; 4% e 8% .................................................................................................. 44

Figura 23 - - Variação da taxa de resfriamento pelo tempo para a água destilada, e para as

soluções de água com sabão da marca C nas concentrações 0,5%, 4% e 8% .......................... 45


soluções de água com silicato de sódio nas concentrações 0,5%, 4% e 8% ............................ 48

Figura 24 - Curva de Resfriamento da água, e das soluções água com silicato de sódio nas

concentrações 0,5%; 4% e 8% .................................................................................................. 47

Figura 26 - Curva de Resfriamento da água, e das soluções água com cloreto de sódio nas

concentrações 0,5%; 4% e 8% .................................................................................................. 49


soluções de água com cloreto de sódio nas concentrações 0,5%, 4% e 8% ............................. 50

Figura 28 - Curva de Resfriamento da água, e das soluções água com hidróxido de sódio nas

concentrações 0,5%; 4% e 8% .................................................................................................. 50


soluções de água com hidróxido de sódio nas concentrações 0,5%, 4% e 8% ........................ 51

Figura 30 - Precipitado observado na solução com sabão da marca C após o processo de

resfriamento da sonda. Fonte: autor ......................................................................................... 55

Figura 31 - Imagens do ensaio de remolhamento para as soluções de sabão A e B na

concentração de 0,5%, no instante em que a sonda é colocada e na ruptura da camada de

vapor .......................................................................................... Erro! Indicador não definido.

Figura 32 - Imagens do ensaio de remolhamento logo no início do resfriamento para as

soluções de 8% de sabão A B e C e 4% para o sabão B ........................................................... 56

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 - Codificação das amostras de sabão por marca ........................................................ 33

Tabela 2 - Massas de água e de solutos utilizadas para a preparação do fluído de resfriamento

.................................................................................................................................................. 33

Tabela 3 - Porcentagem de massa dos elementos obtidos através da análise química via ICP-

OES ........................................................................................................................................... 38

Tabela 4 - Parâmetros de resfriamento obtidos para as soluções de água com sabão da marca

A á 25°C sem agitação, para as concentrações 0,5%, 4% e 8% ............................................... 41

Tabela 5 - Parâmetros de resfriamento para as soluções de água com sabão da marca B á

25°C, sem agitação ................................................................................................................... 43

Tabela 6 - Parâmetros de resfriamento para as soluções de água com sabão marca C a 25°C,

sem agitação ............................................................................................................................. 46

Tabela 7 - Taxas máximas de resfriamento, variação da taxa em máxima em relação a água

sem aditivos e temperatura na qual a taxa máxima de resfriamento ocorre para os 3 sabões,

para o cloreto de sódio, hidróxido de sódio e silicato de sólido, .............................................. 52

Tabela 8 - Coeficientes de transferência de calor para as 3 marcas de sabão, para as soluções

de hidróxido de sódio, cloreto de sódio e silicato de sódio nas temperaturas de 700°C, 300°C e

200°C ........................................................................................................................................ 53

Tabela 9 - Tabela de resultados do ensaio de espuma .............................................................. 57

SUMÁRIO

1. INTRODUÇÃO ................................................................................................................ 19

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA .......................................................................................... 19

2.1 - Têmpera ................................................................................................................... 19

2.2 - Fases do Resfriamento .................................................................................................. 21

2.3 - Molhabilidade e remolhamento .................................................................................... 24

2.4 - Cálculo do coeficiente de transferência de calor ..................................................... 27

2.5 - Sabões de máquina de lava-louça ............................................................................ 29

2.5.1 - Funcionamento dos sabões de máquina de lava-louça ..................................... 29

2.5.2 - Tensão Superficial e Molhabilidade ................................................................. 31

2.6 - Espectrometria de Emissão Óptica por Plasma Acoplado Indutivamente (ICP-OES)

32

3 OBJETIVO ........................................................................................................................ 32

4 METODOLOGIA ............................................................................................................. 32

4.1 – Caracterização do sabão por ICP-OES ........................................................................ 32

4.2 – Preparação das Soluções utilizadas para o resfriamento ............................................. 33

4.3 – Realização do Ensaio para Obtenção da Curva de Resfriamento ................................ 34

4.4 – Cálculo do coeficiente de transferência de calor .................................................... 35

4.5 – Ensaios de Espuma ................................................................................................. 36

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO ...................................................................................... 37

5.1 - Resultados da análise química via ICP-OES ................................................................ 37

5.2 - Gráficos Curva de Resfriamento .................................................................................. 38

5.2.1 Solução com Sabão Marca A: Curvas e Parâmetros .......................................... 39

5.2.2 Solução com Sabão Marca B: Curvas e Parâmetros ................................................ 42

5.2.3 Solução com Sabão Marca C: Curvas e Parâmetros ................................................ 44

5.3 - Resultado de Soluções de Silicato de Sódio ............................................................ 47

5.4 - Resultados Soluções de NaCl e NaOH ................................................................... 48

5.5 - Comparação dos parâmetros de resfriamento de todas as soluções ............................. 51

5.6 - Ensaio de remolhamento ......................................................................................... 56

5.7 - Ensaio de Espuma ................................................................................................... 56

6 CONCLUSÃO .................................................................................................................. 57

7 TRABALHOS FUTUROS ................................................................................................ 58

8 REFERÊNCIAS ................................................................................................................ 59

9 APÊNDICE ....................................................................................................................... 62

19

1. INTRODUÇÃO

O tratamento térmico, denominado têmpera em aço, consiste em mergulhar o

componente a ser tratado em um banho de resfriamento a partir da temperatura de

austenitização. Esse resfriamento rápido tem como objetivo a formação de uma estrutura

metaestável, a martensita, inibindo assim a formação de ferrita, perlita ou bainita, que são

estruturas obtidas por difusão, e de menor dureza. O aço com grande quantidade de martensita

apresenta uma elevada dureza necessitando de um tratamento de revenimento para aliviar as

tensões e adequar as propriedades de tenacidade. No processo de têmpera o resfriamento é de

fundamental importância para o sucesso do tratamento.

Dentre os meios líquidos, a água é o fluído de resfriamento mais antigo. Entretanto traz

alguns inconvenientes dada a estabilização da camada de vapor que este meio apresenta. Assim

aditivos (sais, nanofluídos, etc.) são bastante estudados e utilizados nesse tipo de tratamento

térmico. A adição de determinadas quantidades de sais, em geral, aumenta a eficiência da

têmpera. Sabões de máquina de lava-louça possuem em sua composição grande quantidade de

sais, como carbonato de sódio e silicato de sódio, e de substâncias surfactantes e

antiespumantes. Os sais aumentam a condutividade térmica do fluído e os surfactantes

diminuem a tensão superficial do fluído aumentando assim a eficiência da têmpera.

Esse trabalho traz uma contribuição estudando um novo fluído baseado em soluções

aquosas com sabão de máquina de lava-louça. Esse trabalho pode trazer benefícios,

demonstrando maior eficácia dessas soluções de resfriamento. Sendo assim diferentes

formulações e concentrações de fluido de resfriamento devem ser estudadas e analisadas.

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

2.1 - Têmpera

A têmpera tem como objetivo o aumento da dureza de aço. Este tratamento térmico é

amplamente utilizado na indústria metalúrgica, e consiste no aquecimento de uma peça de aço

até a temperatura de austenitização (em torno de 850°C), e em seguida mergulhar essa peça em

um fluído de resfriamento que esteja a uma temperatura muito menor do que a peça, com o

objetivo de obter o máximo da fase metaestável chamada de martensita (estrutura TCC) [1,2].

20

Para aços com baixo teor de carbono, o resfriamento abrupto da peça é a única forma de

aumento da dureza do mesmo. Esses resfriamentos abruptos causam distorções residuais, as

quais são tratadas posteriormente por meio de outro tratamento térmico denominado

revenimento.

Variáveis relacionadas a peça a ser tratada, sendo principalmente a composição química

do aço e as propriedades requeridas após o tratamento são determinantes para a escolha da taxa

de resfriamento, e consequentemente do fluído de resfriamento que fornecerá essa taxa

desejada. Variáveis de processo como temperatura do banho e grau de agitação tem também

forte influência na taxa de resfriamento. Altas taxas de resfriamento podem causar defeitos

como trincas e distorções na peça, e baixas taxas de resfriamento podem não ser suficientes

para atingir a dureza desejada. A escolha do fluído de resfriamento e dos parâmetros de banho

são baseadas no diagrama TTT (tempo-temperatura-transformação), mais especificamente nas

curvas CCT presentes nesse diagrama, como demonstrado na figura 1. Essas curvas auxiliam a

prever, dependendo da taxa de resfriamento de um determinado aço, sua composição final após

uma têmpera a uma determinada taxa de resfriamento [3].

A água é um fluído de baixo custo usado no resfriamento de componentes desde há

muito tempo, porém tal fluído apresenta algumas limitações, como por exemplo o baixo ponto

de ebulição, fato que ocasiona a formação de uma camada de vapor indesejável para o

tratamento. Sendo assim uso de aditivos que desestabilizem a camada de vapor melhorando

suas características de esfriamento é de suma importância no ramo da de engenharia de

materiais.

Figura 1 - Diagrama CCT de um aço padrão. Adaptada de fonte: [4]

21

2.2 - Fases do Resfriamento

O resfriamento da peça, em meio líquido vaporizável, pode ser divido em três etapas,

como mostrado na figura 1 [2]. Na primeira fase ocorre a formação de um filme de vapor logo

que a peça (que está a uma temperatura em torno de 850°C) entra em contato com o fluído de

resfriamento (vaporizável). Esse filme de vapor acaba separando a peça do fluído de

resfriamento, fazendo com que a transferência de calor nessa fase ocorra apenas por condução

e radiação, sendo a fase de menor transferência de calor. O tempo de duração deste filme de

vapor depende das propriedades termo físicas (como condutividade) da peça tratada, e

propriedades termo físicas do fluído de resfriamento. O tempo desta primeira fase varia bastante

de acordo com diferentes temperaturas e composições do fluído de resfriamento, e esse tempo

é decisivo na eficiência da têmpera [1,2].

Figura 2 - Polarização do aço em altas

temperaturas. Adaptada de fonte [2]

22

A segunda fase, conhecida como ebulição nucleada, acontece após o fim da formação

do filme de vapor, fazendo com que o líquido toque a peça novamente. Como mostrado na

figura 2[2], esta fase é uma fase de grande troca de calor pois as bolhas movimentando-se

provocam como que uma agitação local do meio, colocando sempre um fluido “novo” ao redor

da peça.

A terceira e última etapa do resfriamento ocorre quando o metal já está com uma

temperatura menor do que a temperatura de ebulição do líquido da solução de resfriamento.

Nessa fase, a transferência de calor do sólido para o líquido ocorre por convecção do líquido, e

a transferência de calor volta a diminuir, como mostrado na figura 2 [3].

É desejável que o estágio 1 seja o mais curto possível, pois as baixas taxas de

resfriamento podem levar à formação de estruturas de difusão como a ferrita e perlita que são

microestruturas de menor dureza que a martensita. Normalmente consegue-se diminuir o tempo

de permanência desta camada de vapor usando-se de agitação no banho. A adição é outra

solução para desestabilizar a camada de vapor. Isso é especialmente verdadeira para as soluções

salinas. pois quando se aquece um metal a uma temperatura muito elevada, esse metal tende a

ficar com sua superfície carregada positivamente, como mostrado na figura 3 [2], atraindo os

íons que estão na solução do fluído de resfriamento, melhorando o contato do fluido com a peça

quente. O contato dos cristais na superfície da peça quente provoca também a ruptura desses,

fazendo com que a camada de vapor se rompa instantaneamente, praticamente eliminando-a. A

figura X ilustra este mecanismo de ação dos cristais de sais.

Figura 3 - Variação da taxa de Resfriamento durante a

Têmpera. Adaptada da fonte [5]

23

Figura 4– Mecanismo de ação dos cristais de sais no rompimento da camada de vapor. Adaptada de fonte [19]

Existe uma concentração ótima de sais para que isso aconteça, função do tipo de sal e

outras condições de banho. A figura y ilustra o efeito da concentração de NaCl nas

características de resfriamento comparado à água (na figura representada pela curva 0).

Concentrações de 5%, 10% e 15% eliminam a camada de vapor, aumentando ainda a taxa

máxima de resfriamento.

Figura 5 - Efeito da concentração do sal NaCl nas taxas de resfriamento. Adaptada de fonte [19]

Na terceira etapa espera-se que as taxas de resfriamento voltem a valores baixos. Nesta

fase já não há riscos de formar estruturas de menor dureza e a martensita está sendo formada.

Associada à transformação martensítica está um aumento de volume em torno de 4%, de

maneira que velocidades menores promovem menores tensões residuais, pois há uma melhor

acomodação da estrutura cristalina.

24

Essas características de resfriamento são fortemente influenciadas pelo tipo de fluido

utilizado e também pelos parâmetros do banho, como temperatura e agitação, como pode ser

visto na figura Z

Figura 6 - Influência da temperatura de banho nas características de resfriamento da água. Adaptada de fonte

[19]

O aumento na agitação tende a elevar as taxas de resfriamento trazendo também

velocidades maiores para o terceiro estágio. Por isso muitas vezes, numa têmpera industrial,

opta-se por reduzir a agitação depois do segundo estágio. Isso é chamado de “time quenching”.

(G.E. Totten, C.E. Bates and N.A. Clinton, Handbook of Quenchants and Quenching Technology, ASM

International, Materials Park, OH, 1993.)

2.3 - Molhabilidade e remolhamento

A presença de uma camada de vapor estável é bastante prejudicial para o resfriamento

uma que traz grande não uniformidade no resfriamento. Isso porque essa camada de vapor não

se rompe instantaneamente em todo o componente e haverá, em determinado momento, os três

estágios de resfriamento acontecendo simultaneamente. Esse fenômeno pode ser visto na figura

7.

25

Figura 7 - Etapas do resfriamento ocorrendo simultaneamente. Fonte [6]

Como demonstrado nessa figura a troca de calor acontece simultaneamente a várias

velocidades, caracterizando a não uniformidade, que por sua vez é responsável pelas distorções,

causando insucessos no tratamento térmico. Essa ruptura gradual da camada de vapor é

chamada de frente de remolhamento e quanto mais rápida for esta ruptura mais efetivo é o fluido

em extrair calor da superfície aquecida. A velocidade de remolhamento é a velocidade (mm/s)

a qual o líquido molha totalmente a superfície de um sólido após a formação da camada de

vapor. Essa velocidade é medida através de um ensaio no qual ocorre filmagem da sonda

durante o resfriamento. Após a filmagem são capturadas imagens em tempos preestabelecidos,

e para essas imagens são medidas a duração da camada de vapor. Com esses dados calcula-se

a velocidade de remolhamento (mm/s). A figura a seguir, mostra a variação da camada de vapor

em função do tempo para ensaios realizados com água pura resfriando uma amostra a 430°C

(s), e para ensaios realizados com nanofluídos com corpos de prova nas temperaturas de 420°

(b) e 700°C.

26

Figura 8 - Remolhamento da sonda para: (a) água; (b) 1ºe (c) 3º ensaio em nanofluido de alumina (0.01%vol). Para

temperatura de banho de 80°C. Fonte [6].

Alguns aditivos como os sais ou mesmo as soluções de polímeros tem a característica

de romper a camada de vapor de maneira mais uniforme, o que melhora a condição de têmpera

(figura W). As figuras Ka e Kb, mostram a influência desta característica na distorção de chapas

de alumínio durante a têmpera, com água e com solução polimérica.

Figura 10 - Chapas de alumínios distorcidas após

serem temperadas com água a 30°C com agitação

média. Fonte: autor

Figura 9 - Chapas de alumínio após serem

temperadas com soluções aquosas de

polímeros na concentração de 12%,

temperatura do banho 40°C com agitação

média. Fonte: autor

27

Outra característica importante é a molhabilidade de um líquido que se refere à

tendência desse líquido em se distribuir sobre superfície sólida, e este parâmetro é inversamente

relacionada com a tensão superficial do líquido. [3,6]

A molhabilidade de um líquido pode ser mensurada através de um ensaio que consiste

em medir o ângulo de contato (θ) formado pela interface das três fases (sólida, líquida e gasosa)

e é definido por um plano tangente a uma gota do líquido sobre a superfície, e o plano da

superfície na qual ele repousa, como mostrado na figura 5.

Quanto menor esse ângulo de contato θ, maior o espalhamento do líquido sobre a

superfície sólida, ou seja, maior a molhabilidade desse líquido sobre determinada superfície.

Quanto maior esse ângulo θ, menor o espalhamento do líquido sobre a superfície sólida, ou

seja, menor a molhabilidade de determinado líquido em relação a superfície. Um ângulo θ igual

a 0° representa que o líquido molhou totalmente a superfície, e ângulos θ igual ou superior a

90° entende-se que o líquido não molhou a superfície. Quanto maior a molhabilidade do líquido

sobre uma superfície, maior interação desse líquido com a superfície, consequentemente maior

a capacidade desse líquido em conduzir, ou extrair o calor da peça. [5]

No ensaio de molhabildiade ângulo θ é dado pela equação a seguir

cos 𝜃 = 𝛾𝑠𝑣 − 𝛾𝑠𝑙 𝛾𝑙𝑣⁄ (1)

Onde γ, significa respectivamente energia de superfície (J/m2), sólido, líquido e vapor.

Quanto maior a molhabilidade maior a capacidade do líquido de remover o calor da superfície.

2.4 - Cálculo do coeficiente de transferência de calor

Figura 11 - Ângulo de Contato de uma Partícula Líquida Molhando uma

Superfície Sólida. Fonte [17]

28

O coeficiente de transferência de calor é um dos melhores parâmetros utilizados para se

medir a eficiência da transferência de calor de um fluído de resfriamento.

Métodos computacionais como por exemplo, métodos dos elementos finitos, são muito

utilizados para o cálculo deste coeficiente, porém existem métodos mais simplificados que

podem ser utilizados para tal cálculo, como o método Kobasko, explicado no artigo de Otero

[14], o qual calcula o coeficiente de transferência de calor através da relação entre o número de

Kondratjev (Kv) e o número de Biot Generalizado (Biv), o qual foram mostrados os passos do

cálculo a seguir.

O número de Kondratjev é calculado pela seguinte razão

𝐾𝑣 =𝑚

𝑚𝑎 (2)

Onde:

𝑚 =ln(𝑇1−𝑇𝑚)−ln(𝑇2−𝑇𝑚)

𝑡2−𝑡1 (3)

ou

𝑚 =𝑤

𝑇−𝑇𝑚 (4)

𝑚𝑎 =𝑎

𝐾𝑛 (5)

Onde a (m2/s) é a difusividade térmica da sonda na temperatura Te Kn é o fator forma da

sonda, e no caso do experimento será utilizada uma sonda Iconel 600, que possui o formato

cilíndrico. Para formato de sonda cilíndrico têm-se que:

𝐾𝑛 =𝑅2

5.783 (6)

Tm (K) é a temperatura do fluido de resfriamento, T (K) é a temperatura no centro da sonda, T1

(K) e T2 (K) são as temperaturas da sonda nos instantes t1 e t2, e w é a taxa de resfriamento, °C/s

na temperatura T.

A formula que correlaciona o Número de Biot com o número de Kondratjev é a seguinte:

𝐾𝑣 =𝐵𝑖𝑣

(𝐵𝑖𝑣2+1.437𝐵𝑖𝑣+1)1/2

(7)

A correlação entre esses números também pode ser feita através da tabela A1 no

apêndice.

29

Para os cálculos assume-se que o número de Biot Generalizado é igual a condutividade

térmica do material da sonda (Ω), que é calculado pela seguinte formula:

Ω =𝑎𝐾𝑉

𝜆𝐴 (8)

𝐵𝑖𝑣 = Ω (9)

Portanto:

𝐵𝑖𝑣 =𝑎𝐾𝑉

𝜆𝐴 (10)

Isolando o coeficiente de transferência de calor α (𝑊/𝑚2. 𝐾) tem se a seguinte formula:

𝑎 =𝐵𝑖𝑣𝜆𝐴

𝐾𝑣 (11)

Onde 𝜆(𝑚2/𝑠) é a difusividade térmica do material da sonda, A (𝑚2) é a área superficial

da sonda, V(𝑚3).

2.5 - Sabões de máquina de lava-louça

2.5.1 - Funcionamento dos sabões de máquina de lava-louça

Os sabões de máquinas de lava-louça funcionam de maneira diferente aos detergentes

comuns. Estes são compostos por um ativo clorídrico que em água libera ácido hipocloroso

(HOCl). Esse ácido degrada a gordura transformando-a em ácidos graxo de sódio de baixo peso

molecular, substância que tem como característica de gerar grande quantidade de espuma [15].

Os sais (carbonatos e silicatos) auxiliam na limpeza agindo como abrasivos, que junto aos jatos

de água da máquina, ajudam na remoção da sujeira. Para auxiliar na remoção da gordura, há

uma pequena quantidade de surfactante [16], substância que age de forma a estabilizar as bolhas

de ar que formam espuma. Essa estabilização ocorre quando a concentração de surfactante está

acima da CMC (concentração crítica micelar), nessa concentração, surfactantes formam

micelas, devido à característica bipolar de suas moléculas como mostrado na figura 12.

A figura 7 ilustra a formação e estabilização das bolhas que formam espumas:

30

A presença excessiva de espuma é prejudicial para a limpeza, pois acarreta a formação de

manchas e filmes nas louças, sendo assim necessária a adição de substâncias inibidoras de

espuma nesse tipo de sabão

Surfactantes são formados por moléculas que possuem parte hidrofílica, solúvel em água,

que seria a “cabeça” da molécula, e parte hidrofóbica, não solúvel em água, que seria a “cauda”

da molécula, como mostrado na figura 7 [17].

Substâncias surfactantes diminuem a tensão superficial do meio formador de espuma

(mecanismo que será explicado no próximo item) tornando-as mais instáveis, até que ocorra

Figura 13 - Estrutura Molecular Característica de Substância Surfactantes [17]

Figura 12 - Sequência de formação da espuma a partir da formação de bolhas de ar em soluções

aquosas de tensoativos acima da CMC. Fonte [17]

31

sua ruptura. Essa ruptura é causada pois o surfactante aproxima os filmes de espuma, até que

eles se encontrem e colapsem, alterando as características físicas do meio. O mecanismo de

ruptura do filme de espuma é esquematizado na figura 8, esse mecanismo é chamado de

“bridging-dewetting” [18], ou ponte de não molhamento:

Nos sabões de máquina de lava-louça, os inibidores de espuma estão presente em baixas

quantidades (cerca de 2-3% em massa), sendo substâncias mantidas em sigilo pelas empresas

na maioria das vezes.

2.5.2 - Tensão Superficial e Molhabilidade

A tensão superficial de um líquido está ligada a força de atração que a molécula do

interior deste exerce sobre as que estão em sua superfície. Exemplificando, em um copo com

um líquido, existem interações intermoleculares no líquido e interações entre as moléculas do

líquido do ar. Essas moléculas que estão na interface acabam sofrendo uma força resultante

para seu interior. Quanto maior a força de interação entre as moléculas de um líquido, maior a

tensão superficial deste, e maior a tendência das moléculas se manterem juntas. Sendo assim,

quanto maior a tensão superficial de um líquido, menor o espalhamento (molhabilidade) do

líquido sobre uma superfície [17].

Figura 14 - Ruptura da formação de espuma através de método "bridging-dewetting" que consiste na ruptura do

filme de espuma por meio da entrada de uma partícu hidrofóbica na interface espuma/água. Modificado de

fonte: [18].

32

Substâncias surfactantes quando diluídas em água diminuem a tensão superficial do líquido,

pois a parte hidrofílica (cabeça), adere as moléculas de água quebrando suas interações

intermoleculares. Como essas interações são as responsáveis pela formação da tensão

superficial, quando ocorre a quebra das ligações intermoleculares da superfície do líquido, a

tensão superficial sofre uma diminuição, aumentando então a molhabilidade do liquido na

superfície em questão [17].

2.6 - Espectrometria de Emissão Óptica por Plasma Acoplado Indutivamente

(ICP-OES)

Para um estudo mais detalhado sobre a influência do sabão no comportamento em

resfriamento dessas soluções é importante realizar uma análise química qualitativa e

quantitativa do sabão, assim como suas quantidades, podendo analisar melhor a influência da

substância e de suas concentrações na capacidade de resfriamento das soluções medida por

meio das curvas de resfriamento e também pelo cálculo do coeficiente de transferência de calor.

A técnica utilizada para identificação das substâncias do sabão da marca Chama-se

Espectrometria de Emissão Óptica por Plasma Acoplado Indutivamente. Esta é uma análise

muita precisa, que permite quantificar elementos em diversos tipos de amostra. Os elementos

que são possíveis quantificar na técnica de ICP-OES variam desde os mais leves até os mais

pesados como para o exemplo terras raras.

3 OBJETIVO

Esta pesquisa tem como objetivo analisar a influência da adição de sabão de máquina

de lava-louça, variando composições químicas e concentração, no desempenho de soluções

aquosas quanto a sua capacidade de resfriamento. Esses resultados foram comparados com o

desempenho de soluções salinas conhecidas.

4 METODOLOGIA

4.1 – Caracterização do sabão por ICP-OES

33

Essas análises foram gentilmente feitas em laboratório da Embrapa sob supervisão da

Prof.ª Dr. ª Ana Rita de Araújo Nogueira. Resultado desta análise foram apresentados no item

resultados e discussão muito embora não tenham sido feitas pelo autor deste trabalho.

4.2 – Preparação das Soluções utilizadas para o resfriamento

As amostras foram codificadas conforme a tabela 2:

Para a preparação das soluções foram usados:

1. Cerca de 150g de cada marca de sabão, dois em pó (C e B) e um líquido (A)

2. Um Becker Deltex de 1000ml

3. Um Becker Deltex de 50 ml

4. Um bastão de vidro maciço

5. Uma balança de precisão modelo BL320H e = 0,1g

6. Um misturador magnético

7. Um aquecedor

8. Água destilada

Primeiramente pesou-se na balança de precisão, utilizando o Becker de 50ml a quantidade

de sabão necessária para a concentração desejada, na tabela a seguir estão o valor da massa de

sabão utilizado para cada concentração:

Observação: os procedimentos a seguir foram repetidos para os 3 tipos de sabões, e para as

soluções com NaCl, NaOH e Na2SiO3

Tabela 1 - Codificação das amostras de sabão por marca

Tabela 2 - Massas de água e de solutos utilizadas para a

preparação do fluído de resfriamento

Amostra Código

Sabão Cascade (Líquido) Amostra Sabão Marca A

Sabão Sun (pó) Amostra Sabão Marca B

SabãoFinish (pó) Amostra Sabão Marca C

Massa Concentração (% de massa) Massa de Água

Aprox. 10g Aprox.0,5% Aprox. 1990g

Aprox. 80g Aprox.4% Aprox. 1920g

Aprox. 160g Aprox.8% Aprox. 1840g

34

Após pesagem do sabão, colocou-se o mesmo no béquer de 2000ml, e em seguida

preencheu o Becker de 2000ml com água destilada, após isso foi feita a mistura com a paleta

de vidro por cerca de 15 minutos até que se observe diluição total do sabão. Em seguida as

soluções foram armazenadas em garrafas PETs e devidamente identificadas.

4.3 – Realização do Ensaio para Obtenção da Curva de Resfriamento

Para a obtenção da curva de resfriamento foram utilizados os seguintes materiais:

1. Aquisitor de dados National Instuments® SCXI 1000-DC

2. Termômetro de mercúrio;

3. Sonda cilíndrica INCONEL 600, com termopar do tipo K no centro geométrico

diâmetro 12,5mm;

4. Recipiente metálico 2000ml

5. Tripé para fixação de sonda durante a têmpera;

6. Aquecedor para sonda N1100;

7. Aquecedor Marchesoni®, 220V, 550W

Figura 15 - A - Aquecedor de Sonda Marchesoni®, 220V, 550W; B - Suporte, sonda diâmetro 12,5mm e

recipiente aço inox; C - Aquisitor de dados National Instuments® SCXI 1000-DC; D - Termômetro de fluido

biodegradável. Fonte: autor

35

Obteve-se a curva de resfriamento para cada uma das soluções aquisitados em duplicatas

sendo a média dos resultados utilizadas. Foram usadas 3 diferentes composições químicas de

sabão e 3 diferentes concentrações para cada sabão, totalizando 9 curvas de resfriamento. Para

estudo comparativo obteve-se também as curvas de resfriamento para a água destilada e para

as soluções de cloreto do sódio, hidróxido de sódio e silicato de sódio nas mesmas

concentrações usadas para o sabão. Todos os ensaios foram realizados com solução a

temperatura ambiente (25°C), (toda vez que se realizava o ensaio, media a temperatura do

líquido, e quando necessário ajustava a temperatura por meio água corrente caso estivesse acima

de 25°C). As curvas de resfriamento foram obtidas seguindo a norma ASTM D6200-01, ou

seja, é utilizada uma sonda cilíndrica de 12,5mm de diâmetro, com um termopar do tipo K em

seu centro, solução sem agitação e com temperatura de 25°C, e os dados são gravados pela

aquisitora (figura 12) a uma frequência de 8Hz. A cada troca de solução a sonda era lavada com

sabão e álcool, assim como o recipiente de aço inox, para que não ficasse nenhum resíduo.

Foram colocadas cerca de 1800ml da solução em um recipiente de aço inox. Aqueceu-

se a sonda até se obter a estabilização de sua temperatura em 850 °C. Em seguida a sonda foi

retirada do aquecedor e inserida no recipiente metálico que estava com o líquido de

resfriamento. O tripé metálico foi utilizado como apoio para a sonda. Antes da retirada da sonda

do aquecedor, era necessário iniciar a aquisição de dados, em uma frequência de 8Hz, como diz

a norma. Quando a temperatura da sonda chega aos 40° a aquisição de dados é encerrada. Os

dados de temperatura versus tempo eram salvos pelo aquisitor em um arquivo txt e

posteriormente manipulados em uma planilha para a obtenção das curvas de resfriamento. Essas

curvas se encontrão nos resultados e discussão do presente trabalho.

4.4 – Cálculo do coeficiente de transferência de calor

De posse das curvas de resfriamento, os parâmetros, taxa de resfriamento a 700°C,

300°C e 200°C, foram extraídos e os valores do coeficiente de transferência de calor

calculados seguindo a sequência apresentada na revisão bibliográfica. Esses parâmetros

podem ser vistos de maneira genérica na figura 16.

36

Os valores 700°C, 300°C e 200°C foram escolhidos por se tratar de temperaturas nas quais

pode iniciar a formação de perlita (700°C) e onde se situam grande parte das transformção de

martensítica (300°C e 200°C)

4.5 – Ensaios de Espuma

O ensaio de espuma realizado é baseado na norma ASTM D3519 – Método padrão para

teste de espuma em soluções aquosas (Teste de Liquidificador).

Para realiza-lo foram utilizados:

• Becker Deltex de 500ml

• Liquidificador Mondel 4 velocidades

• Uma fita métrica

• Termômetro

• Cronometro de celular

• Proveta graduada de 250ml

Figura 16 -Imagem ilustrativa mostrando os pontos nos quais retirou-

se as taxas de resfriamento para cálculo do coeficiente de

transferência de calor. Fonte: Autor

37

Esse teste consiste em colocar 200ml da solução aquosa a temperatura ambiente na proveta

graduada de 250ml e medir a altura da solução, sendo essa altura I. Em seguida deve-se ligar o

liquidificador a uma rotação entre 4000 e 13000 rpm (a rotação usada foi de 5000 rpm), por 30

segundos e logo ao desligar, colocar a solução na mesma proveta e medir a altura final da, sendo

essa altura igual a M. Esses valores estão representados na figura a seguir:

Com esses dados calcula-se a altura máxima de espuma, dada pela formula:

Fm = M – I (12)

Após isso analisa-se o tempo para que a espuma fique a uma altura residual menor que

10mm, sendo este outro parâmetro importante adquirido nesse teste, por último obtêm-se o

coeficiente de espuma residual dado pela formula a seguir:

Fr = R – I (13)

Onde R é a altura da espuma após 5 minutos do desligamento do liquidificador e I é o

mesmo utilizado na equação 12.

Realizou-se esses ensaios para as soluções de sabão da marca A, B e C na concentração de 8%

de soluto.

5 RESULTADOS E DISCUSSÃO

5.1 - Resultados da análise química via ICP-OES

I

R

I R

M

Figura 17 - Alturas utilizadas para calcular os coeficientes do ensaio de espuma, onde I da solução sem agitação,

M é a altura da solução logo após ser batida no liquidificador e R é altura da solução após 30 segundos de

descanso da solução. Fonte: Autor

38

A tabela a seguir mostra os resultados obtidos pela análise de ICP-OES. Nele obteve-se

a quantidade de massa dos elementos químicos os quais acredita-se que podem influenciar na

eficiência dos parâmetros de resfriamento.

Da tabela acima verifica-se que todos os 3 sabões possuem grande quantidade de

carbono, sendo o sabão A o que possui maior quantidade, seguido pelo B e depois pelo C,

significando assim que o sal o predominante nesses sabões são carbonatos. Levando em conta

a quantidade de sódio encontrada nos sabões B e C, pode se assumir que a substância de maior

quantidade encontrada nesses dois sabões é carbonato de sódio. No sabão A, a quantidade de

sódio é bem menor do que as nos outros sabões e a quantidade de silício relativamente maior.

Observando as quantidades de cálcio e magnésio dos sabões, verifica-se que esses sais

estão presentes em maior quantidade nos sabões B e C, do que no sabão A. Considerando que

esses sais endurecem a água, é esperado que ocorra uma menor formação de espuma para os

sabões da marca B e C do que para o sabão da marca A.

Além disso, observa uma maior quantidade de enxofre nas amostras de sabão B e C. O

enxofre reage com a superfície dos metais, fazendo com que haja um aumento da molhabilidade

das soluções.

Apesar do princípio ativo dos sabões de máquina de lava-louça ser um ativo clorídrico,

as quantidades desse ativo nos sabões são muito pequenas (menos que 2%), portanto acreditou-

se que a quantidade de cloro seria de pouca influência para o resfriamento, não realizando assim

a análise quantitativa deste elemento.

5.2 - Gráficos Curva de Resfriamento

Tabela 3 - Porcentagem de massa dos elementos obtidos

através da análise química via ICP-OES

Analitos (%

massa)Amostra A Amostra B Amostra C

Ca 0,0012 0,0048 0,0042

Mg 0,111 0,628 0,361

P 0,035 0,089 0,028

S 0,05 0,86 0,69

Zn 0,006 1,173 0,086

Na 1,21 42,54 46,8

Si 3,491 0,121 0,022

C 66,1 52,2 45,1

39

Os gráficos e tabelas a seguir são referentes as curvas e os parâmetros de resfriamento

obtidos nos ensaios. Nesse item será discutido os resultados obtidos, sendo um item para cada

marca (composição) de sabão, e em seguida os parâmetros de resfriamento obtidos nas soluções

de sabão foram comparados com os obtidos para soluções salinas.

5.2.1 Solução com Sabão Marca A: Curvas e Parâmetros

A seguir são retratadas as curvas de resfriamento, taxas de resfriamento e os coeficientes

de transferência de calor das soluções água mais sabão (A) para as três diferentes concentrações.

A temperatura do banho foi de 25°C, sem agitação:

Figura 18- Curva de Resfriamento da água, e das soluções água + sabão A nas

concentrações 0,5%; 4% e 8%

40

Vale ressaltar que o sabão da marca A foi utilizado na forma líquida, sendo

possivelmente o principal veículo de sua composição a água, fato que pode explicar a menor

eficiência de resfriamento dessa solução.

Analisando as figuras 15 e 16 é possível observar que para a concentração de 0,5% de

sabão da marca A ainda ocorre a formação da camada de vapor, sendo os resultados para essa

concentração, muito similar com o da água sem aditivos. Outro fenômeno observado nos

gráficos é o fato de que as taxas de resfriamento para a concentração de 8% são menores do que

para uma concentração de 4%, e muito similar as taxas de resfriamento observadas para a

solução de 0,5%. Uma diferença verificada entre concentração de 8% e 0,5%, é que para a

maior concentração não há a formação da camada de vapor.

Na tabela a seguir estão as taxas de resfriamento, os coeficientes de transferência de

calor para as seguintes temperaturas: 200°C, 300°C e 700°C. O tempo que leva para a sonda

atingir essas mesmas temperaturas também estão na tabela.

Analisando os coeficientes calculados a temperatura de 700°C (início da têmpera),

verifica-se que o coeficiente de transferência de calor é ligeiramente maior para a concentração

de 4% de sabão da marca A (5735 W/m2k), sendo o menor coeficiente para essa temperatura o

da água sem aditivos. Elevadas taxas de resfriamento no início da têmpera são favoráveis ao


soluções de água com sabão da marca A nas concentrações 0,5%, 4% e 8%

41

processo de resfriamento do aço, pois essas inibem a formação de perlita, fazendo com que a

composição final do aço tenha maior quantidade de martensita.

Os coeficientes de transferência de calor calculado para a concentração de 4% desse

sabão nas temperaturas de 300°C e 200°C são menores que o da água sem aditivos. Tal fato é

benéfico para o tratamento de têmpera uma vez que nessas temperaturas ocorrem as

transformações martensítica sendo desejáveis taxas de resfriamento menores. Isso porque a

transformação martensítica ocorre por meio de uma expansão da rede de austenita, portanto

quanto mais lenta essa transformação menor a chance de formação de trincas e distorções nas

peças tratadas.

O comportamento do resfriamento para a concentração de 0,5% desse sabão é muito

parecido com o da água destilada, sendo possível observar ainda a existência da camada de

vapor. Para as temperaturas de transformação martensítica, a concentração de 8% leva uma

ligeira vantagem na eficiência do resfriamento, quando comparado com a água, uma vez que

os coeficientes de transferência de calor cerca de 10% menores do que o da água sem aditivos

nessas temperaturas.

Tabela 4 - Parâmetros de resfriamento obtidos para as soluções de água com sabão da

marca A á 25°C sem agitação, para as concentrações 0,5%, 4% e 8%

0,50% 4% 8%

CR700°C (°C/s) 161,90 160,46 193,58 183,76

CR300°C (°C/s) 95,61 91,76 91,88 93,35

CR200°C (°C/s) 46,13 39,88 43,13 45,07

t700°C (s) 4,39 4,08 3,30 3,60

t300°C (s) 6,88 6,60 5,72 6,10

t200°C (s) 8,34 8,16 7,23 7,56

0,50% 4% 8%Coeficiente de

Transferência de Calor á

700°C (W/m2K)

4317 4437 5735 5330

Coeficiente de


300°C (W/m2K)

7829 7136 7153 7370

Coeficiente de


200°C (W/m2K)

4741 4000 4501 4825

Sabão Marca A

Sabão Marca ATemperatura do Banho 25°C Água

Temperatura de Banho 25°C Água

42

A solução de 8% desse sabão mostrou vantagem apenas no início do resfriamento, tendo

um coeficiente de transferência de calor cerca de 20% maior que o da água e não havendo ainda

existência da camada de vapor.

Sendo assim, a solução de concentração 4% de sabão C foi a que demonstrou melhor

desempenho dentre as três concentrações. A de 0,5% foi a que demonstrou o pior desempenho,

sendo seus parâmetros muito semelhante ao da água sem aditivos.

5.2.2 Solução com Sabão Marca B: Curvas e Parâmetros

A seguir estão representadas as curvas de resfriamento, as taxas de resfriamento assim

como o coeficiente de transferência de calor para a água e para as soluções de água mais sabão

Nas figuras acima é possível perceber que as curvas das concentrações de 0,5%, são

muito semelhantes às da água sem aditivos, sendo possível observar a formação da camada de

vapor para essa concentração, também é possível observar que taxa de resfriamento máxima é

ligeiramente maior para essa concentração quando comparada com a da água.

Figura 20 - Curva de Resfriamento da água, e das soluções água com sabão da marca B

nas concentrações 0,5%; 4% e 8%

43

Para as concentrações de 4% e 8% de sabão da marca B, o ganho na eficiência do

resfriamento é muito evidente quando comparado com água, uma vez que ocorre a eliminação

da camada de vapor e suas taxas de resfriamento maiores que a da água.

Analisando a tabela 5, verifica-se que a adição do sabão da marca B em água promoveu

alteração nos parâmetros de resfriamento. Essas alterações são mais evidentes no início do

resfriamento. Para os coeficientes obtidos á 700°C, têm-se que o de maior valor foi o da solução

que continha 8% de aditivo (B), sendo esse valor igual a 9195 W/m2k. O segundo maior

coeficiente calculado para essa temperatura foi o da solução com 4% de sabão da marca B,

sendo esse valor igual a 8752 W/m2k. Tais valores são maiores que o dobro do coeficiente

calculado para a água a mesma temperatura, havendo então uma grande inibição da formação

de perlita. A solução com concentração de 0,5% apresentou um ligeiro aumento no coeficiente

de transferência de calor em relação ao da água pura para essa mesma temperatura.

Nas temperaturas de transformação martensítica (200°C e 300°C), as soluções com

concentrações de 4% e 8% também mostraram um bom desempenho, sendo os coeficientes de

Tabela 5 - Parâmetros de resfriamento para as soluções de água com sabão da marca B á

25°C, sem agitação

0,50% 4% 8%

CR700°C (°C/s) 161,90 181,46 254,50 261,93

CR300°C (°C/s) 95,61 90,19 91,06 92,49

CR200°C (°C/s) 46,13 39,57 42,52 43,10

t700°C (s) 4,39 4,00 3,06 2,05

t300°C (s) 6,88 6,46 5,30 4,24

t200°C (s) 8,34 8,04 6,83 5,74



700°C (W/m2K)

4317 5237 8752 9195

Coeficiente de


300°C (W/m2K)

7829 7029 7029 7243

Coeficiente de


200°C (W/m2K)

4741 4000 4402 4496

Sabão Marca B

Sabão Marca BTemperatura do Banho 25°C Água


44

transferência de calor para essas temperaturas menores do que o da água sem aditivos, o que é

benéfico para o tratamento de têmpera como comentado anteriormente.

As concentrações de 4% e 8% de sabão da marca B mostraram-se um perfil de

resfriamento desejado para serem utilizadas como meio de resfriamento na têmpera, o que não

ocorreu com a concentração de 0,5% do mesmo sabão. Levando em consideração os perfis de

resfriamento dos sabões de marca B além de aspectos econômicos, têm se que para esta marca

de sabão o a concentração de 4% é a mais adequada para ser utilizada no tratamento térmico de

têmpera, uma vez que seria necessário utilizar o dobro de soluto (ou seja, o dobro do custo) na

concentração de 8%, para se obter um perfil de resfriamento muito parecido, ou até mesmo pior

do que o obtido para a concentração de 4%.

5.2.3 Solução com Sabão Marca C: Curvas e Parâmetros

A seguir estão representadas as curvas e as taxas de resfriamento assim como o

coeficiente de transferência de calor para a água e para as soluções de água mais sabão da marca

B.

Figura 21 - Curva de Resfriamento da água, e das soluções água com sabão da marca C


45

As curvas das soluções com sabão da marca C mostraram um comportamento muito

semelhantes com as curvas das soluções com sabão da marca B.

Analisando o gráfico de variação da taxa de resfriamento para concentração de 0,5% de

sabão C observa-se a ocorrência de formação da camada de vapor, sendo suas curvas muito

semelhantes às da água sem aditivos, com exceção de um leve aumento na taxa máxima de

resfriamento.

Assim como para o sabão B, as curvas apresentadas para as soluções com sabão da

marca C nas concentrações de 4% e 8% nota-se um grande aumento na eficiência do

resfriamento quando comparado com a água sem aditivos, com taxas de resfriamentos bem

maiores e a inexistência da camada de vapor.

Figura 22 - - Variação da taxa de resfriamento pelo tempo para a água destilada, e para as

soluções de água com sabão da marca C nas concentrações 0,5%, 4% e 8%

46

Tabela 6 - Parâmetros de resfriamento para as soluções de água com sabão marca C a 25°C, sem agitação

Analisando a tabela 7, nota-se que adição do sabão da marca C em água promoveu

alterações nas propriedades de resfriamento do fluído principalmente no início do tratamento

térmico, sendo essas propriedades muito semelhantes ás de resfriamento das soluções com

sabão da marca B.

Para os coeficientes obtidos á 700°C, têm-se que o de maior valor foi o da solução que

continha 8% de substrato (C), com o valor de 8705 W/m2k. O segundo maior coeficiente

calculado para essa temperatura foi o da solução com 4% de sabão da marca C, sendo esse valor

igual a 8633 W/m2k , estes são maiores que o dobro do coeficiente calculado para a água sem

aditivos para essa temperatura Tal fato é muito favorável para o processo de têmpera, pois inibi

a formação de perlita, obtendo maior quantidade de martensita na peça tratada.

Em relação a solução com concentração de 0,5% houve um ligeiro aumento no

coeficiente de transferência de calor em relação ao da água pura.

Os parâmetros de resfriamento calculados para as temperaturas de transformação

martensítica para o sabão da marca C também são muito semelhantes aos observados para o

sabão da marca B. Para os coeficientes calculados á 200°C e a 300°C têm se que o da água

destilada é ligeiramente maior do que o de qualquer concentração.

0,50% 4% 8%

CR700°C (°C/s) 161,90 157,63 253,21 253,73

CR300°C (°C/s) 95,61 92,67 90,39 91,49

CR200°C (°C/s) 46,13 40,98 40,32 41,20

t700°C (s) 4,39 4,70 2,20 2,23

t300°C (s) 6,88 7,33 4,43 4,45

t200°C (s) 8,34 8,86 6,01 5,99



700°C (W/m2K)

4317 4334 8633 8705

Coeficiente de


300°C (W/m2K)

7829 7271 6918 7100

Coeficiente de


200°C (W/m2K)

4741 4161 4061 4194

Sabão Marca C

Sabão Marca C

Temperatura do Banho 25°C Água


47

Sendo assim, têm-se que para as soluções com sabão da marca C, existe um aumento

da eficiência no início do resfriamento (á 700°C), para as 3 concentrações. Entretanto, para a

concentração de 0,5% o aumento da eficiência é quase imperceptível. Analisando os perfis de

resfriamento das soluções de sabão C nas concentrações de 4% e 8%, têm se um perfil mais

desejado para a concentração de 4% principalmente nas temperaturas de 200°C e 300°C (a

700°C a concentração de 4% apresenta um coeficiente um pouco menor do que do que o da

solução de 4%, porém essa diferença é muito pequena). Além disso, considerando aspectos

econômicos, a concentração de 4% de sabão é muito mais interessante, uma vez que utiliza

metade da quantidade de soluto.

5.3 - Resultado de Soluções de Silicato de Sódio

Para que pudesse estudar melhor qual a interferência do surfactante e dos inibidores de

espuma nos parâmetros de resfriamento, realizou-se ensaios para soluções de silicatos de

sódio puro, nas mesmas concentrações realizadas para os sabões. As curvas de

resfriamento, assim como as curvas de variação da taxa de resfriamento pelo tempo do

silicato de sódio são exibidas a seguir:

Figura 23 - Curva de Resfriamento da água, e das soluções água com silicato de sódio nas


48

Analisando aos gráficos acima, nota-se que a curva para a concentração de 4% se aproxima

bastante da curva de contração 0,5%, ao contrário do que acontece com os sabões,

principalmente das marcas B e C, nas quais as curvas de resfriamento, e de variação da taxa de

resfriamento da concentração 4% estão bem mais próximas das curvas nas concentrações de

8%.

Comparando as curvas de silicato de sódio com as de sabão, nota-se que elas apresentam

comportamento semelhante. A comparação entre a eficiência do resfriamento das soluções de

silicato de sódio puro, e das soluções de sabão será melhor discutida no item no qual é exibido

todos os parâmetros de resfriamento para todas as curvas adquiridas.

5.4 - Resultados Soluções de NaCl e NaOH


soluções de água com silicato de sódio nas concentrações 0,5%, 4% e 8%

49

Aditivos com cloreto de sódio (NaCl) e hidróxido de sódio (NaOH), possuem um

desempenho muito eficaz no tratamento térmico de têmpera, porém seus altos teores corrosivos

acabam limitando o uso desses aditivos em fluídos de resfriamento de têmpera. Para analisar

melhor os resultados obtidos no resfriamento utilizando os sabões como aditivos, foram

aquisitados os parâmetros de resfriamento das soluções de NaCl e NaOH. A seguir são

mostradas as curvas de resfriamento e de variação do coeficiente da taxa de resfriamento para

as soluções de NaCl e NaOH nas mesmas concentrações dos sabões:

Figura 25 - Curva de Resfriamento da água, e das soluções água com cloreto de sódio nas


50

Figura 27 - Curva de Resfriamento da água, e das soluções água com hidróxido de sódio


0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 10 20 30 40 50

TEM

PER

ATU

RA

(°C

)

TEMPO (S)

0,50% 4,00% 8,00% Água


soluções de água com cloreto de sódio nas concentrações 0,5%, 4% e 8%

51

Uma diferença clara que se nota comparando as curvas para a concentração de 0,5% de

sabão com as dos sais puros é que para os sais puro quase não se observa mais a formação da

camada de vapor, enquanto para os sabões, nessa mesma concentração, observa a formação da

camada de vapor para as três marcas de sabão. Isso ocorre, pois, os sabões não são formados

apenas por sais, sendo assim, em uma pequena concentração de sabão, não há íon suficiente

para que ocorra a ruptura da camada de vapor.

5.5 - Comparação dos parâmetros de resfriamento de todas as soluções

A tabela 7 refere-se a taxa máxima de resfriamento das soluções e as respectivas

temperaturas nas quais essas taxas ocorrem:


soluções de água com hidróxido de sódio nas concentrações 0,5%, 4% e 8%

52

Analisando a tabela 7, verifica-se que para baixas concentrações, 0,5%, as soluções que

possuem apenas sal atingem uma taxa de resfriamento maior do que para as mesmas

concentrações de sabão. Para as demais concentrações, 4% e 8%, os sabões da marca A e B

apresentaram taxas máximas de resfriamento máxima maiores do que as taxa máximas para a

solução de NaCl. Comparando o sabão da marca B e C com o hidróxido de sódio para as

concentrações de 4% e 8%, verifica-se que eles apresentam taxas máximas muito similares,

sendo as do hidróxido cerca de 3 a 5 por cento maior que a dos sabões.

As temperaturas nas quais ocorrem as taxas máxima de resfriamento são importantes

pois elas estão relacionadas com o tempo da camada de vapor. Quanto maior a temperatura da

taxa máxima, menor o tempo da camada de vapor, pois a camada de vapor desloca a taxa de

resfriamento para baixo, como explicado na revisão bibliográfica.

Para concentrações de 4% e 8% dos sabões de marca A e B não há mais ocorrência da

camada de vapor, assim como para as mesmas concentrações par as soluções de NaOH e NaCl.

Sendo assim, a temperatura nas quais ocorrem as taxas máximas para essas soluções, nessas

concentrações são muito similares.

Tabela 7 - Taxas máximas de resfriamento, variação da taxa em máxima em relação a água sem aditivos e

temperatura na qual a taxa máxima de resfriamento ocorre para os 3 sabões, para o cloreto de sódio, hidróxido de

sódio e silicato de sólido,

Concentração 0,50% 4% 8% 0,50% 4% 8% 0,50% 4% 8%

Taxa de

Resfriamento

Máxima (°C/s)

176,80 209,07 178,59 211,27 194,79 246,24 185,53 255,75 258,30 189,04

Variação em Relaçaõ

á àgua (%)-6% 11% -6% 12% 3% 30% -2% 35% 37% -

Temperatura da taxa

máxima de

resfriamento (°C)

579,84 634,88 624,51 628,09 714,24 712,48 585,49 719,21 727,20 591,25

Concentração 0,50% 4% 8% 0,50% 4% 8% 0,50% 4% 8%

Taxa de

Resfriamento

Máxima (°C/s)

194,71 233,01 246,87 208,12 270,62 246,24 200,42 196,98 233,70 189,04

Variação em Relaçaõ

á àgua (%)3% 23% 31% 10% 43% 30% 6% 4% 24% -

Temperatura da taxa

máxima de

resfriamento (°C)

579,58 721,25 738,17 658,45 719,96 711,81 649,41 606,26 662,94 591,25

Hidóxido de Sódio

Sabão Marca A Sabão Marca B Sabão Marca C

Cloreto de Sódio

Água

ÁguaSilicato de Sódio

53

A tabela 7 traz outro fato interessante. Olhando as taxas máxima de resfriamento para o

sabão da marca A nas concentrações 0,5% e 8% observa-se que elas são muito próximas. Porém

se analisarmos a temperatura máxima de ocorrência dessas taxas nota-se que para a

concentração de 0,5%, ela é bem menor do que para a concentração de 8%. Isso corre pois para

a concentração de 0,5% de sabão da marca A, ainda há formação da camada de vapor,

deslocando, o que faz com que a taxa máxima de resfriamento ocorra a uma temperatura bem

menor.

A seguir estão todos os coeficientes de transferência de calor, para as temperaturas de

200C, 300°C e 700°C

Analisando a tabela 8, e levando em conta aspectos econômicos, verifica-se que dentre os

sabões, o que apresentou melhor desempenho como aditivo a água em fluído de têmpera foi o

sabão da marca C na concentração de 4%. O coeficiente de transferência de calor a 700°C para

essa solução ficou cerca de 5% menor do que o maior coeficiente de transferência de calculado

0,50% 4% 8% 0,50% 4% 8% 0,50% 4% 8%

Coeficiente de


700°C (W/m2K)

4317 4437 5735 5330 5237 8752 9195 4334 8633 8705

Coeficiente de


300°C (W/m2K)

7829 7136 7153 7370 7029 7029 7243 7271 6918 7100

Coeficiente de


200°C (W/m2K)

4741 4000 4501 4825 4000 4402 4496 4161 4061 4194

0,50% 4% 8% 0,50% 4% 8% 0,50% 4% 8%

Coeficiente de


700°C (W/m2K)

4317 5036 7194 8154 6595 9593 9473 5995 5396 7674

Coeficiente de


300°C (W/m2K)

7829 6675 6345 5686 5686 5604 5274 5192 4862 5233

Coeficiente de


200°C (W/m2K)

4741 4889 4370 3778 4815 3704 3259 2133 2074 2141

Sabão Marca C

Silicato de Sódio

Sabão Marca A Sabão Marca B

NaOHTemperatura de Banho 25°C Água


NaCl

Tabela 8 - Coeficientes de transferência de calor para as 3 marcas de sabão, para as soluções de hidróxido de

sódio, cloreto de sódio e silicato de sódio nas temperaturas de 700°C, 300°C e 200°C

54

para os aditivos estudados, que é o da solução de hidróxido de sódio na concentração de 4%.

Comparando a solução que obteve o melhor desempenho dentre os sabão (4% sabão da marca

C), observa que ele apenas não é melhor do que para soluções de hidróxido de sódio na

concentração de 4% e 8%. O hidróxido de sódio nessas concentrações apresenta um coeficiente

de transferência de calor a 700°C cerca de 10% e carca de 25% menor para os coeficientes

calculados nas temperaturas de 300°C e 200°C, sendo um perfil muito desejado para o

resfriamento de aços em têmpera, porém o hidróxido de sódio apresenta alguns fatores

negativos. Um deles é alto grau corrosivo, e outro é seu descarte que é crítico. Caso descartado

em lugares indevidos e sem uma tratativa adequada, pode acarreta em sérios danos para o meio

ambiente.

Os melhores resultados obtidos para as temperaturas de transformação martensítica também

foram os da concentração de 4% de silicato de sódio, sendo seus coeficientes a 200°C e a 300°C

um dos menores calculados. Porém os coeficientes de resfriamento calculado para esse sal á

temperatura de 700°C também são muitos baixos, não sendo assim um sal interessante para ser

usado como aditivo em fluido de resfriamento de têmpera.

Os parâmetros obtidos para as curvas obtidas para soluções de sabão, principalmente

para o sabão da marca B e C foram mais satisfatórios quando comparado com os coeficientes

obtidos para as soluções de silicato de sódio puro. Tal fato deve-se atribuir a presença de

surfactantes e antiespumantes presentes no sabão.

O fabricante do sabão da marca C foi o que maior detalhou sua composição química,

sendo que ele diz ter cerca de 70% de carbonato de sódio além disso, as outras substâncias de

em maiores quantidades encontrada nesse sabão também são derivados de sódio. Se

compararmos os resultados do sabão de marca C com os resultados obtidos pelas soluções de

NaCl, observa-se um perfil de resfriamento melhor para o tratamento de têmpera para a solução

com sabão de marca C, o que faz concluir que outras substâncias além dos sais presentes no

sabão influenciam de forma positiva a eficiência do resfriamento.

Para maiores explicações sobre a influência dos componentes químicos na eficiência do

resfriamento seria necessária uma quantificação mais detalhada da parte orgânica dos sabões.

55

Outra característica que pode ter afetado na eficiência do resfriamento é que a

decomposição dos carbonatos ocorre a uma temperatura de aproximadamente 400°C. Quando

a peça de aço é mergulhada na solução, a uma temperatura em torno de 850°C, pequenos filmes

da solução que estão em contato com a peça podem sofrer um aquecimento que pode decompor

os carbonatos em óxidos, alterando assim o comportamento da solução no resfriamento,

entretanto não foram feitos testes que comprovassem essas alterações. Para o sabão de marca

C, que é o qual possui a maior quantidade de carbonato de sódio segundo o fabricante, foi

possível observar a formação de um precipitado como mostrado na figura a seguir. Esse

precipitado pode ser consequência dessa oxidação do carbonato de sódio.

Silicatos de sódios são usados como desfloculastes na indústria de materiais cerâmicos,

portanto a medida do potencial zeta, que mede a tendência a tendência das suspensões ou

emulsões coloidais em se manterem dispersas, permitiria tirar conclusões mais detalhadas do

comportamento dessas partículas. Entretanto este trabalho busca verificar apenas o

comportamento da eficiência dessas soluções e o que verificou foi que os sabões de marca B e

C nas concentrações de 4% e 8% foram os que apresentaram os melhores desempenhos. Por

questões de custo têm-se que a sugestão inicial é a utilização da concentração de 4% dos sabões

B e C para serem usados como fluidos de resfriamento em têmpera.

Figura 29 - Precipitado observado na solução

com sabão da marca C após o processo de

resfriamento da sonda. Fonte: autor

56

5.6 - Ensaio de remolhamento

Os ensaios de remolhamento foram realizados por meio da câmera de um celular.

Posteriormente esses vídeos foram assistidos na velocidade 8x menor do que o real, para que

assim pudesse observar melhor o mecanismo de ruptura da camada de vapor.

A figura 31 ilustra o momento logo após a inserção da sonda nas soluções de sabão A e

B e C na concentração de 8% e de solução de sabão B na concentração e 4%. Nos ensaios para

essas soluções, a formação da camada de vapor é quase que imperceptível, não sendo possível

sua observação nos vídeos realizados. O que foi possível analisar foi uma ruptura dessa camada

logo nos instantes inicias em que a sonda é colocada. Essa ruptura muito semelhante ao que

acontece no resfriamento realizado com soluções poliméricas conforme mostrado na revisão

bibliográfica.

5.7 - Ensaio de Espuma

A tabela a seguir mostra os resultados do ensaio de espumas, onde I é a altura da solução

ao ser colocada na proveta, M é a altura da solução logo após ser esta batida no liquidificador

e colocada na proveta, e R é a altura da solução 30 segundos após esta ser inserida na

proveta, Fm é a diferença entre M e I e Fr é a diferença entre R e I, :

A 8% C 8% B 8% B 4%

Figura 31 - Imagens do ensaio de remolhamento logo no início do resfriamento para as

soluções de 8% de sabão A B e C e 4% para o sabão B. Fonte: autor

57

Analisando a tabela acima é possível observar que o sabão da marca A é o qual têm se

maior formação de espuma, sendo o maior Fm dentre os 3 sabões, seguido pela solução com

sabão B e por último, a solução com sabão C a qual quase não se observa formação de

espuma.

Além disso, observando o Fr, que representa a altura da espuma após relaxar 30

segundos, têm -se que o da marca C o maior também.

Como era esperado levando em conta a análise química, os sabões da marca B e C foram

os que apresentaram menor formação de espuma, fato que é

Sendo assim, levando em conta os resultados desse ensaio, pode se atribuir como um dos

fatores relacionado a menor eficiência observada nos parâmetros de resfriamento do sabão A,

a maior formação de espuma, uma vez que espumas são formadas por grande quantidade de ar,

e o ar é um péssimo condutor de calor. Além disso, outra suposição possível de fazer analisando

o ensaio de espuma, é a de que a menor eficiência nos parâmetros de resfriamento observada

para as soluções de 8% de sabão da marca A em relação 4% do mesmo sabão pode estar

relacionada com a formação de espuma, uma vez que possivelmente a formação de espuma será

menor para a concentração de 4%, tendo está uma melhor eficiência, porém para confirmar isto

é necessário realizar o ensaio de espuma para a concentração de 4% de sabão da marca A.

Comparando os resultados dos sabões B e C, verifica-se considerando apenas a formação

de espuma, o C teria uma eficiência ligeiramente maior, por formar menos espumas.

6 CONCLUSÃO

Os três sabões apresentaram desempenho muito satisfatório para serem usados como

aditivos para fluídos de têmpera.

O sabão da marca A foi o que apresentou desempenho bem diferentes dentre os estudados,

sendo o que teve pior eficiência no resfriamento. Esse fato pode ser atribuído tanto pela

composição química do sabão, a qual é muito diferente das dos outros sabões.

Tabela 9 - Tabela de resultados do ensaio de espuma

Sabão I (mm) M (mm) R (mm) Fm (mm) Fr (mm)

Sabão Marca A 85 101 95 16 10

Sabão Marca B 85 91 90 6 5

Sabão Marca C 85 86 86 1 1

58

Meios de resfriamento formado por sais a base de carbonatos e silicatos, aliado com

substâncias surfactantes e antiespumantes formaram uma solução aquosa muito eficiente para

serem usada em têmpera.

As soluções de 0,5% de concentração em sabão não foram suficientes para romper a

camada de vapor formada no início da têmpera. Isso porque os sabões possuem outras

substâncias além de sais (surfactantes e antiespumantes), sendo assim, a concentração de íons

presente na solução não foi suficiente para romper a camada de vapor nessas temperaturas.

O sabão C, foi o que teve melhor desempenho como aditivo de fluído de têmpera e também

foi o sabão que apresentou maior quantidade sódio, ou seja, maior quantidade de carbonatos e

silicatos em sua composição. Por fatores de custo, têm se que a concentração de 4% do sabão

da marca C seria a melhor para ser usada no tratamento térmico de aços.

Apesar do hidróxido de sódio puro apresenta maior eficiência para ser usado em fluídos

de resfriamento de têmpera, a sua utilização acaba sendo limitada pela característica altamente

corrosiva e pela dificuldade de descarte dessa solução.

A solução com sabão A foi que se observou maior formação da quantidade de espuma,

sendo este um fator possível para explicar sua eficiência menor no resfriamento em relação aos

outros sabões.

7 TRABALHOS FUTUROS

Recomenda-se que para trabalhos futuros realizados com sabões de máquina de lava-

louça como aditivo para meio de resfriamento em têmpera, que sejam realizados:

1. Ensaios de resfriamento com temperatura do banho a 45°C e 60°C;

2. Ensaios de molhabilidade;

3. Análise química por cromatografia iônica para que se tenha maior conhecimentos dos

tipos de íons encontrados nas soluções com os sabões.

59

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.

62

9 APÊNDICE

Tabela A1: Propriedades termo físicas do INCONEL 600 em diferentes temperaturas [9].

Propriedade Temperatura (ºC)

100 200 300 400 500 600 700

Condutividade térmica – α (W/mK) 14.2 16 17.8 19.7 21.7 23.7 25.9

Difusividade térmica – λ

(x 10-6 m2/s)

3.7 4.1 4.3 4.8 5.1 5.4 5.6

Tabela A2: Correlação entre número de Biot generalizado (Biv), Critério de campo de temperatura (“criterion of

temperature field non-smoothness) (ψ) e número de Kondratjev (Kn).

BiV ψ Kn BiV ψ Kn BiV ψ Kn

0.00 1.00000 0.00000 0.68 0.64000 0.43536 1.95 0.36263 0.70712

0.01 0.99284 0.00993 0.70 0.63297 0.44308 2.00 0.35637 0.71274

0.02 0.98574 0.01971 0.72 0.62585 0.45061 2.05 0.35032 0.71816

0.04 0.97171 0.03887 0.74 0.61887 0.45796 2.10 0.34447 0.72338

0.06 0.95791 0.05747 0.76 0.61200 0.46513 2.15 0.33880 0.72841

0.08 0.94434 0.07555 0.78 0.60531 0.47214 2.20 0.33331 0.73328

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63

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE … · para o cloreto de sódio, hidróxido de...

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