Modelo matemático para previsão da macrossegregação durante a solidificação com zona pastosa ou interface sólido-líquido plana. - Regados, Ygor Amadeo Sartori (2018)
A macrossegregação pode causar problemas sérios em processos de fundição, mas pode ser útil em processos de refino metalúrgico como os empregados na produção de silício de alta pureza. Ela é formada por fluxos convectivos presentes tanto na solidificação plana quanto na solidificação com zona pastosa, enquanto o transporte difusivo é efetivo quando a solidificação direcional é controlada, mantendo-se uma interface plana. A modelagem da solidificação de lingotes em escala macroscópica é atualmente dividida em modelos que assumem a presença de uma zona pastosa e modelos que assumem interface plana como hipótese inicial, exigindo conhecimento prévio da morfologia interfacial durante toda a operação. Um modelo matemático para a macrossegregação causada por transportes difusivos e convectivos de soluto durante a solidificação com crescimento plano ou com zona pastosa foi apresentado e implantado. Uma análise numérica apenas do transporte difusivo revelou a transição da interface plana para uma zona pastosa desenvolvida, que ocorreu em coincidência com critérios de estabilidade clássicos, além de revelar uma região inicial refinada formada mesmo após a formação da zona pastosa e confirmar a ineficiência da difusão sozinha na formação de macrossegregação em maiores velocidades. A convecção demonstrou efeito estabilizador para a interface sólido-líquido plana ao reduzir a camada super-resfriada por soluto, assim como acentuou a macrossegregação, com tendência ao caso de Scheil. Ensaios experimentais para silício presentes na literatura foram avaliados com o modelo proposto, confirmando o efeito estabilizador da interface plana observado e também mostrando o papel fundamental da difusão na formação da interface plana. Os resultados do modelo foram comparados com os de ensaios experimentais conduzidos em um forno do tipo Bridgman com liga Al-1% Cu com velocidades de solidificação crescentes e a estabilidade da interface plana e a macrossegregação correspondente examinadas sem ou com convecção forçada. Os resultados experimentais indicaram uma região com interface sólido-líquido plana que, após a segunda mudança de velocidade, indicou a aparente formação de células, verificadas por análise metalográfica. A velocidade de crescimento crítica foi estimada no experimento, mostrando-se significativamente maior que a calculada através do critério do super-resfriamento constitucional.