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Aula 06 : Revisão de conteúdos para prova 01.
Introdução aos processos de fundição
Fusão e metais líquidos
Gases em metais líquidos
Escoamento de metais
Sistemas de canais de enchimento
Solidificação dos metais e suas ligas: fundamentos
Nucleação da fase sólida
Crescimento da fase sólida
Disciplina: Fundição Semestre 2014_2Prof. Guilherme Verran
Critérios para escolha de um processo de fundição:
Material Propriedades
Propriedades da Peça ⇔ Nível de qualidade desejado
Propriedades de Fundição ⇔Definem a maior ou menor facilidade de obtenção da peça
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
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Critérios para escolha de um processo de fundição:
Propriedades de Fundição: Propriedades que determinam a maior ou menor habilidade de uma liga para a obtenção de pecas fundidas. ou seja, definem a FUNDIBILIDADE de uma liga.
• Reatividade no estado líquido
• Fluidez
• Modelo de Solidificação e formação de rechupes
• Ponto de fusão
• Coeficiente de Contração volumétrica
• Tendência à trincas de solidificação
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Processo de FundiçãoRota Metalúrgica
Seleção e Preparação da Carga
Fusão –Tratamentos do Banho
Vazamento
Preenchimento
Solidificação
Resfriamento
Pós Processamento
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Carga composta por diferentes materiais
Conhecimento das composições químicas dos diferentes componentes da carga
Elaboração do cálculo de carga e definição das proporções dos diferentes componentes
Composição química Especificada
Estimativa de Perdas na fusão
Principal problema: conhecimento preciso da composição química da carga
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Rota Metalúrgica
Fusão –Tratamentos do Banho
Seleção e Preparação da Carga
Vazamento
Preenchimento
Solidificação
Resfriamento
Pós Processamento
Processo de FundiçãoDisciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Fusão – ocorrência de reações químicas do metal líquido com o ambiente
Desequilíbrio na composição química
Medidas necessárias:1. Controle da temperatura do banho2. Controle do tempo a temperaturas elevadas3. Realização de tratamentos do banho
Principal problema: variações na composição química ⇒ peças fora das especificações
Principal Problema na Fusão de
Materiais Metálicos
VARIAÇÃO DA
COMPOSIÇÃO QUÍMICA
⇓
PEÇAS FUNDIDAS FORA DAS ESPECIFICAÇÕES
REATIVIDADE QUÍMICA DOS METAIS LÍQUIDOS
⇓
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Fusão e metais líquidos
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Recomendação Importante
CONDUZIR A OPERAÇÃO DE MODO A EVITAR OU REDUZIR COMBINAÇÃO DO METAL/LIGA COM OS ELEMENTOS QUE O CERCAM
TIPOS DE
FUSÃO
Fusão Simples
Fusão sob Vácuo ou Atmosfera Inerte
Aumento da Reatividade Química da
Liga
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Fusão e metais líquidos
Possíveis Interações entre o Metal Líquido e o “Ambi ente”
1 . Dissolução de gases no metal
2 . Reações geradoras de gases
3 . Trocas Metal-Escória
4 . Reações do Metal com o Cadinho (recipiente)
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3
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Fontes de Impurezas e de Elementos Estranhos ao Metal Líquido
Fusão em Fornos Elétricos
Fusão em Fornos a
Combustível
Produtos de Combustão(CO2 - CO - H2O - SO2 + O2 e N2)
P e S das cinzas de Combustíveis Sólidos
Recipiente Refratário
Atmosfera Normal (O 2 - N2 - H2O - CO2)
Contaminações Metálicas e Não Metálicas (Si - Al - O 2 - H2)
Carga e Ferramentas usadas na Fusão
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Fusão e metais líquidos
TRATAMENTOS DOS METAIS LÍQUIDOS
• UTILIZAÇÃO DE FUNDENTES DENOMINADOS FLUXOS
• SÃO CLASSIFICADOS DE ACORDO COM AS SUAS FUNÇÕES
• PROTEÇÃO CONTRA OXIDAÇÃO E ABSORÇÃO DE GASES
• ELIMINAÇÃO DE ÓXIDOS E GASES
• REFINADORES DE GRÃOS
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FLUXOS DE PROTEÇÃO
• PREVENÇÃO DE PERDAS DE METAL DURANTE A FUSÃO.
• COBERTURA PROTETORA SOBRE O METAL LÍQUIDO.
• REDUÇÃO DE PERDAS NA RETIRADA DA ESCÓRIA
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Fusão e metais líquidos
FLUXOS DE PURIFICAÇÃO
• ELIMINAÇÃO DE GASES DISSOLVIDOS E DE ÓXIDOS
• REAÇÃO QUÍMICA PRODUZ BORBULHAMENTO
• EXTRAÇÃO MECÂNICA DE GASES E ÕXIDOS
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FLUXOS REFINADORES
• INTRODUÇÃO DE SUBSTRATOS PARA AUMENTAR A FREQUÊNCIA DE NUCLEAÇÃO
• ESTRUTURA COM GRÃOS MAIS FINOS
• MELHOR COMPORTAMENTO MECÂNICO
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Fusão e metais líquidos
GASES EM METAIS LÍQUIDOS
Fenômeno : os metais líquidos dissolvemconsideráveis volumes de gás durante as operaçõesde fusão
Conseqüência : os gases dissolvidos no seio do líquidodevem ser removidos antes da solidificação sob pena deocorrência de defeitos tipo “bolhas de gás ” devido asdiferentes solubilidades destes gases no líquido e nosólido.
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500 550 600 650 700 750 800 850 900
Temperatura, °C
0,2
0
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
Sol
ubili
dade
em
mL
/ 100
g
Sólido
Líquido
Solubilidade do hidrogênio no alumínio a 1 atm
Gráfico mostra grande variação da solubilidade do h idrogênio no Alumínio em função da mudança no estado físico
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Fusão e metais líquidos
Problema sob o ponto de vista da Metalurgia de Fundição
Surge quando a quantidade de gases no metal líquido excede a que pode ser retida
em solução sólida .
⇓
A concentração de gases no líquidoremanescente aumenta com o progresso dasolidificação e, em certo ponto, nucleiam-se ecrescem bolhas gasosas.
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Princípios de Solubilidade e Formação de Compostos
A dissolução de um gás em um metal pode serindicada por uma expressão do seguinte tipo:
M H Hl g( ) ( )+ ⇔2 2
particularmente para o Al:
Al H Hl g( ) ( )+ ⇔2 2
a molécula H2 (g) de gás hidrogênio se dissocia emcontato com o Al, entrando em solução comohidrogênio atômico → H
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Fusão e metais líquidos
Para o Sistema Al (l) e O2(g) o produto da reaçãoé um composto sólido (s):
Al O Al Ol g s( ) ( ) ( )+ →2 2 3
O2 não se dissolve no Al (l) e forma um filme deóxido na interface metal-gás.
Nas condições normais de fundição Al2O3 se formacomo um filme sólido na superfície do alumíniolíquido.
⇓
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Eliminação de Gases nos Metais Líquidos
Tratamentos mais importantes na remoçãode contaminantes gasosos de metais líquidos:
Remoção de Hidrogênio
Remoção do Oxigênio
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Fusão e metais líquidos
Remoção de Hidrogênio
Prática mais comum de desgaseificação:
Borbulhamento de um gás inerte no metal líquido
“Cloro ou Nitrogênio no caso das ligas de Al”
⇓
O gás inerte ao se deslocar no interior dolíquido tende a arrastar consigo o H atômicodissolvido neste líquido, ocorrendo então adesgaseificação do metal líquido.
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Representação esquemática do Processo Rotor para desgaseificação de Al e ligas
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Fusão e metais líquidos
Desoxidação pela Aplicação do Princípio da Estabilidade Relativa dos Óxidos
Ma = metal líquido solvente contendo oxigênio em solução
Mb = elemento soluto adicionado
Se o óxido MbO mais estável que o óxido MaO.
Mb é considerado um desoxidante satisfatório para o metalMa se forem obedecidas outras condições adicionais
⇓
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Fusão e metais líquidos
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A reação de desoxidação pode serrepresentada pela equação:
M O M Ob b+ ⇔
onde Mb e O estão em solução em Ma , e MbO é um óxido sólido, líquido ou gasoso
Exemplo : Desoxidação de Aços
Ma = Ferro Líquido Mb = Al - Si - Mn
MbO = Al 2O3 - SiO2 - MnO
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Fusão e metais líquidos
Elementos de um Sistema de Canais de Enchimento
Molde com Apartação Horizontal
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran Introdução
� Canal de Descida : Geralmente vertical e de seção transversal circular, direciona o metal da bacia de enchimento até o canal de base.
� Canal Base: Modifica a direção do metal através de um ângulo reto e envia para o canal de distribuição;
� Canal de Distribuição : Conduz o metal através do molde.
�Canais de Ataque : determinam a velocidade de enchimento da cavidade (peça).
� Existem outros elementos como filtros ou retentores de escórias que podem ser instalados entre o canal de distribuição e o canal de ataque com objetivo de reter drosses ou inclusões;
Peça
Canal de Base
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Fluxo Laminar
Re < 2000
Fluxo Turbulento
2000 ≤Re ≤ 20000
Fluxo SeveramenteTurbulento
Re ≥ 20000
Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo d e Metais em Canais Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Fluxo de Metal na maioria dos casos Reais em Fundição
⇒ Turbulento
Critério no Cálculo de Canais de Enchimento
⇒Manutenção de
Re < 20.000
Consequência Prática
⇒Para Re < 20.000 a turbulência é mais interna ao fluxo, com uma fina camada junto à parede
⇓
Evita-se a quebra da camada de óxido formada na superfície do líquido e sua introdução no seio do líquido
Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo d e Metais em Canais Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
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Lei da Continuidade
Em um canal fechado completamente cheio, a vazão é constante, independentemente de variações locais da velocidade ou da área transversal
Q = v1. A1 = v2 . A2
v1 e v2 = velocidades no pontos 1 e 2 (cm/s)
A1 e A2 = áreas da seções transversais nos pontos 1 e 2 (cm2)
Q = vazão do líquido em todos os pontos do canal (cm3/s)
Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo d e Metais em Canais Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Perdas de Carga
Em todo o Sistema Real
Ocorrência de perda por atrito decorrentes da interação entre as paredes dos canais e o líquido que possui certa viscosidade.
Perdas localizadas devido às mudançasde direção e dimensõesdos canais
Em Fluxos Turbulentos ⇒
Perdas adicionais devidos às características do fluxo
⇒Efeitos de atrito internos à massa líquida
Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo d e Metais em Canais Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
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Esquema mostrando o fluxo de um fluído com mudança na direção do fluxo.
(a) Turbulência devido a presença de canto vivo
(b) Aspiração de ar devido a presença de canto vivo
(c) Uso de arredondamentos minimizando a turbulência e a aspiração de ar.
Noções de Mecânica dos Fluídos Aplicadas ao Fluxo d e Metais em Canais Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
ELEMENTOS DOS SISTEMAS DE CANAIS
Relações de Áreas ou Escalonamento
Sistemas Pressurizados⇒A seção menor
corresponde aos Ataques
Sistemas Despressurizados
⇒
A seção menor corresponde ao
Canal de Descida
Idéia Básica ⇒
Aumentar ou diminuir a velocidade do fluxo a partir da diminuição ou aumento das áreas
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Sistema Pressurizado
Razão 1:0,75:0,5Sistema Despressurizado
Razão 1:3:3
Elementos dos Sistemas de CanaisDisciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Relação de Áreas (Escalonamento)
• Indica a proporção de área dos três componentes básicos do sistema
Área DescidaÁrea Descida
: Área DistribuiçãoÁrea Descida
Área AtaqueÁrea Descida
:
1 : A1 A2:
Sistemas Pressurizados
A2 < 1⇒
Sistemas Despressurizados
⇒ A2 > 1
Elementos dos Sistemas de CanaisDisciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
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Heterogeneidades que podem ocorrer durante a solidificação
de metais ou ligas
• Físicas :
• Químicas :
• Estruturais :
• Porosidades
• Rechupes
• Trincas de Contração
• Segregações de Impurezas ou Elementos de Liga (escalas micro ou macroscópica).
Dos Grãos ou Cristais .
• Tipos
• Distribuição
• Tamanho
• Natureza
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Fundamentos da Solidificação dos Metais
HeterogeneidadesFisicas
Defeitos Fisicos
DESCONTINUIDADES AO LONGO DO MATERIAL .
• Porosidades
• Rechupes
• Trincas de Solidificação
Contração na Solidificação
Modelo de Solidificação Projeto
Gases Dissolvidos no Metal Liquido
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Fundamentos da Solidificação dos Metais
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HeterogeneidadeQuímica
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Segregações
Formação de gradientes no percentual de um elemento de liga
(soluto) na matriz do metal base (solvente) devido a ocorrência de
redistribuição de soluto durante a solidificação de ligas
monofásicas.
Fundamentos da Solidificação dos Metais
HeterogeneidadesEstruturais
Tamanhos dos Grãos
100 µm
(a)
(a) (b) (c) (d) (e)
100 µm 100 µm
(d) (e)
100 µm
(c)
100 µm
(b)
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Fundamentos da Solidificação dos Metais
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Importância do entendimento da Solidificação na Tecnologia de Fundição
• Dimensionamento e localização dos canais de enchimento e alimentação
• Otimização e controle das variáveis do processo.
• Desenvolvimento de novos materiais e processos.
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Auxilio no projeto do ferramental
• Adequações no projeto da peça
• Conhecimento das causas e das medidas corretivas quanto aos defeitos de solidificação
Melhoria do processo
Melhoria do produto
Inovação
Fundamentos da Solidificação dos Metais
• Ocorre sem a interferência ou contribuição energética de
elementos ou agentes estranhos ao sistema metal líquido-
metal sólido.
Nucleação Homogênea
• Formação do Núcleo é devida à ocorrência do Superesfriamento Térmico.
Superesfriamento Térmico ⇒
Condição essencial para que os embriões da fase sólida possam sobreviver na forma de núcleos estáveis .
Fase Líquida Superesfriada Térmicamente
Fase Sólida apresenta Maior Estabilidade Termodinâmica, pois possui um valor de Energia Livre (G) menor que a fase líquida.
⇒
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Solidificação_Nucelação
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CURVA DE RESFRIAMENTO - REGISTRO TÉRMICO DA SOLIDIFI CAÇÃO
tempoTempo de Solidificação
Tem
pera
tura
(0 C
)
∆T
L L + S
S
Temperatura de Vazamento - T v
Temperatura de Nucleação - T N
Temperatura de Solidificação - T S
∆T = TS – TN Superesfriamento Térmico
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Solidificação_Nucelação
Curvas de resfriamento para ligas hipoeutética (2) e eutética (1)
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Solidificação_Nucelação
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Analise térmica
• Vaza-se uma certa quantidade de metal em um recipiente contendo um termopar.Este termopar, acoplado a um equipamento de registro de dados, grava a evoluçãoda temperatura da amostra durante a solidificação.
As curvas descrevem o balanço térmico entre o calor que é retirado pelomolde e o calor gerado pelas transformações de fase da amostra durante asolidificação.
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Solidificação_Nucelação
Temperatura de Super-resfriamento:Início do crescimento das
células eutéticas.Quanto mais alta esta temperatura, maior a nucleação do banho
Temperatura de Final de
Solidificação:Término da
Solidificação da Amostra. Quanto mais baixa esta temperatura
maior a tendência à formação de carbonetos
Temperatura LiquidusInício da formação da Austenita:
Quanto menor o Carbono
Equivalente, mais alta é esta
temperatura e maior a formação
de autenita
Temperatura de Recalescência:Ponto de máximo crescimento das células eutéticas
Temperatura de Nucleação:
Início da nucleação da grafita
TEE
Tempo
Tem
pe
ratu
ra
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Solidificação_Nucelação
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Análise térmica
Parâmetros a serem observados da curva de análise
térmica
TEE – Temperatura do Eutético Estável
TNE – Temperatura de Nucleação do Eutético
TSE – Temperatura de Superresfriamento do
Eutético
TRE – Temperatura de Recalescência do
Eutético
TFS – Temperatura de Superresfriamento do
Eutético
dT/dt – Velocidade de Recalescência (dada
pela curva derivada)
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Solidificação_Nucelação
Quando ∆Gtotal < 0 ⇒ o Núcleo cresce espontaneamente⇒ o Embrião atingiu o Raio Crítico e se transformou em Núcleopassando a apresentar um crescimento espontâneo.
∆G ∆Gsup
∆Gvol
∆Gtotal
RaioRc
Rc = Raio Crítico
Núcleo = Embrião que atingiu o R c
⇓
Tornou-se termodinamicamente
estável ( ∆G < 0)
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Solidificação_Nucelação
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• Caracteriza-se pela interferência de agentes estranhos ao sistema denominados SUBSTRATOS (energia superficial participa do jogo energético da sobrevivência do embrião na forma de núcleo estável).
Nucleação Heterogênea
⇓
Condição mais favorável para a nucleação
O EMBRIÃO surge na superfície do substrato sob a forma de uma CALOTA ESFÉRICA , aproveitando a energia de superfície ali disponível.
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Solidificação_Nucelação
Após a formação do núcleo, o mesmo tende a crescer com resultado da deposição de átomos que migram do líqu ido para o sólido.
Mecanismos de Crescimento
• Crescimento com Interface Plana(Lisa ou Facetada) ou Solidificação Progressiva
• Crescimento com Interface Dendrítica (Difusa) ou Solidificação Extensiva
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
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Interface Plana
Interface Celular
Interface Dendrítica
Nucleação Independente
Diferentes Tipos de Interfaces de Solidificação
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Líquido
Sólido
Modelo de Crescimento com Interface Plana ou Lisa Solidificação Progressiva
A Interface cresce segundo um Plano Atômico bem definido que separa as Fases Sólido (ordenada atomicamente) e Líquido (desordenada atomicamente), caracterizado por uma variação abrupta e nítida
Típico de Metais Puros ou Ligas Eutéticas.
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Modelo de Crescimento com Interface Dendrítica ou DifusaSolidificação Extensiva
Metal Semi-Sólido
Metal Líquido
Metal Sólido
A Interface de Crescimento não apresenta uma separação bem definida entre as Fases Sólido e Líquido ocorrendo a formação de uma região intermediária formada pela mistura de fases sólida e líquida (metal semi-sólido).
Modelo de Crescimento característico de Ligas que solidificam sob um intervalo de temperaturas
( ∆T = TL – TS ⇒ Intervalo de Solidificação)
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran
Utilização dos D.E. no entendimento dos diferentes tipos de solidificação de metais e/ou ligas
Solidificação de Metais Puros
Solidificação MonofásicaLiga com grande ∆T
Solidificação Polifásica Ocorrência de reação eutética
Solidificação MonofásicaLiga com pequeno ∆T
∆T = Tliquidus – Tsólidus → Intervalo de Solidificação
Ce
TB
αTe
T
TA
α + β
β
A B
β + Lα + L
e
C1
L
C2
Linha LiquidusLinha Solidus
Disciplina: FundiçãoProfessor: Guilherme O. Verran