Estudo de mistura de aços em distribuidor e nos veios aplicando simulação numérica, modelagem física e validação em planta industrial.

Abstract

Esse trabalho trata da mistura de aços em distribuidor e nos veios para uma máquina de lingotamento de tarugos de seis veios e busca definir as condições de processo para reduzir as perdas metálicas geradas no processo de mistura. O propósito foi desenvolver uma análise integrada dos fenômenos de mistura de aços em um distribuidor de 23t de capacidade de uma máquina de lingotamento de seis veios de tarugos de seção quadrada de 130mm, operando com jato aberto, em condições isotérmicas e não isotérmicas visando reduzir as perdas por mistura. Para isso, foram realizadas simulações numéricas utilizando CFD e modelagem física em distribuidor na escala ¼ para avaliar o fenômeno da mistura de aços, verificando o efeito de alterar o peso de aço no distribuidor no momento da troca (holding time) e o local de montagem das barreiras no interior do distribuidor. Experimentos, em escala industrial, foram realizados, incluindo diferentes pesos de aço no distribuidor no momento da troca de aços para validar os resultados desses modelos. Adicionalmente, foram analisadas amostras de tarugos para avaliar o comprimento de mistura no veio e entender a relevância dessa mistura para produtos de lingotamento com secções menores. Outra variável avaliada é a diferença de temperatura entre o aço remanescente no distribuidor no momento da abertura de uma nova panela e o aço vindo dessa panela, com o objetivo de avaliar a relevância da estratificação térmica na quantidade de mistura de aços gerada. Um novo arranjo de disposição das barreiras no interior do distribuidor foi testado para avaliar o seu efeito na redução do volume morto e na geração de sucata por mistura de aço. Esse trabalho demonstra, que a mistura de aços nos veios durante solidificação em máquinas de lingotamento de secções pequenas, como é o caso de tarugos de secção quadrada de 130mm, tem pouca relevância quando comparada à mistura que acontece no distribuidor. O estudo aqui apresentado também demonstrou que modificadores de fluxo, como barreiras, podem ser usados para reduzir a perda metálica por mistura de aços, sendo que a configuração AD2, apresentada na simulação numérica, com uma barreira extra entre os veios intermediários e os veios externos, conduz a melhores resultados quando se considera o tempo de mistura como variável resposta. O peso de aço no distribuidor mantido durante a transição de duas corridas (holding time) também é uma variável importante para prever a quantidade de aço misturado, sendo que quanto menor é esse peso, menor será a quantidade de mistura gerada. A comprovação mais importante, contudo, é que a diferença de densidade do aço líquido entre corridas diferentes (maiscomumente provocada pela diferença de temperatura) é a variável mais importante tanto para prever a quantidade de aço misturado quanto para estimar o arraste de inclusões não metálicas para os veios. A condição na qual o aço com uma maior temperatura, vindo da panela, entra em contato com o um aço mais frio, presente no distribuidor, denominado com “step-up condition” favorece a flotação das inclusões por reduzir as zonas de volume morto induzidas pela diferença de densidade, mas aumenta a quantidade de mistura.