O efeito do refratário da válvula superior no comportamento das bolhas dentro da válvula submersa e no molde do lingotamento contínuo de placa : modelo físico e matemático.

Abstract

Gás inerte é injetado no refratário da válvula superior durante o lingotamento contínuo para minimizar o arraste de ar para o sistema e a consequente oxidação do aço, formação de inclusões, obstrução do sistema de refratários, de maneira a se garantir a limpidez do aço. Esse estudo investigou a formação e o comportamento das bolhas a partir da injeção de ar em placas refratárias com diferentes permeabilidades. Para isto foram desenvolvidos três modelos físicos. O primeiro estudou a geração de bolhas na superfície das placas refratárias e nas suas proximidades, sem fluxo tangencial de água. O segundo simulava, por meio de um canal composto de placas refratárias paralelas, o canal de fluxo da SEN; determinou-se o efeito de vazão de líquido e gás sobre o diâmetro de bolhas. O terceiro modelo físico foi empregado para a calibração de um modelo matemático de fluxo bifásico em canal, sob ação de forças de arraste e não arraste. Os filmes foram realizados com câmera de alta velocidade a 3680 e 1000 quadros por segundo para a determinação das características das bolhas. Os resultados da avaliação das imagens dos modelos físicos confirmaram o efeito inverso da permeabilidade do refratário no Diâmetro Médio (DM) das bolhas e a dependência do DM com a vazão das fases contínua (água) e dispersa (ar). Foi então desenvolvido modelo matemático do lingotamento contínuo de placa, com válvula submersa e molde, para avaliação da população de bolhas polidispersas em sistema água-ar, aproveitando a simetria geométrica e de fluxo e os resultados foram comparados com a distribuição de gás nos modelos físicos água-ar. A função MUSIG (Grupo Múltiplo de Tamanho, Ansys CFX) foi adotada como modelo de quebra e coalescência de bolhas. As simulações foram então estendidas para descrever o fluxo real de aço-argônio, considerando um fator de expansão térmica para bolhas de argônio. As simulações via modelo matemático com MUSIG, forças de arraste e não arraste, apresentaram resultados consistentes com os observados no modelo físico. Além disso, observou-se que o aumento da vazão de água propiciou um rolo superior melhor definido com maior velocidade de menisco, o que representa a melhor condição metalúrgica. Outra observação relevante foi que o refratário com maior permeabilidade representou melhor o modelo físico escala 1:1. Por fim, os resultados das simulações com aço e argônio corroboraram os efeitos do aumento do fluxo da fase líquida em relação a: melhor distribuição do gás no molde; redução do diâmetro médio das bolhas no molde; redução da formação de redemoinho perto da face estreita; e aumento de velocidades no menisco.