Modelamento Físico de Lingotamento Contínuo de Beam Blank

Chen et al. (2012a, 2012b) utilizaram modelamento físico para validar os resultados da simulação matemática durante estudo de fluxo de aço no molde de beam blank. Foram realizados testes em um molde construído em acrílico em tamanho real, exceto pelo comprimento que foi de 1,2m (o valor real era 0,7m), para obter um fluxo totalmente desenvolvido (Figura 3.4).

Figura 3.4 – Modelo de molde de lingotamento contínuo de beam blank construído em acrílico em tamanho real: (a) vista frontal; (b) vista lateral (CHEN et al., 2012b).

14 De Santis et al. (2014) realizaram um estudo em molde de lingotamento contínuo de beam blank, com dimensões de 430mmX350mmX90mm, propondo mudança na forma de alimentação do molde, com a utilização de apenas uma válvula submersa, com uma porta na parte inferior e outra na lateral. Estes pesquisadores realizaram simulações matemáticas variando o diâmetro do orifício inferior, o diâmetro, formato (circular ou elíptico) e inclinação da porta lateral. Para avaliar o fluxo, basearam-se em índices relacionados à velocidade no menisco, para evitar entranhamento de escória, e nas paredes, para evitar impacto de aço líquido prejudicial à integridade da pele de aço solidificado. Encontraram que a configuração da SEN apresentada na Figura 3.5leva a melhores resultados para estes dois índices analisados.

Figura 3.5 – Campo de velocidades (m/s) no plano central, menisco e paredes do flange para válvula submersa, cujo diâmetro interno é 50mm, com orifício inferior de 20mm, porta lateral elíptica de 50mmX60mm e inclinação de 25° para baixo. Profundidade de imersão e velocidade de lingotamento

iguais a 100mm e 1,16m/min, respectivamente (De SANTIS et al., 2014).

Para validar a simulação matemática, De Santis et al. (2014) construíram um modelo físico em acrílico em escala 1:1 (Figura 3.6-a), e realizaram testes utilizando a SEN com a configuração que gerou os melhores resultados na simulação matemática. Avaliou-se a velocidade no menisco através de sensores de velocidade ultrassônicos (UVP – Ultrasonic Velocity Profile), posicionados no molde de acordo com a Figura 3.6-b, 10mm abaixo do

15 menisco. Os resultados apresentados na Tabela 3.1 indicam uma considerável concordância entre os testes no modelo físico e a simulação matemática. Os valores médios representam a intensidade geral do fluxo de líquido, enquanto que os valores máximos são picos de velocidade e, em caso de formação de ondas na região do menisco, podem ser prejudiciais ao desenvolvimento da pele (De SANTIS et al., 2014).

Figura 3.6 – (a) Modelo físico em acrílico; (b) Posição dos sensores utilizados para avaliar valores de velocidade no menisco durante a simulação física (De SANTIS et al., 2014).

Tabela 3.1 – Comparação dos valores de velocidade no menisco (cm/s) obtidos no modelamento físico e na simulação matemática (De SANTIS et al., 2014).

Posição do sensor Teste físico Simulação Matemática

Média Máxima Média Máxima

Alma 20 26 17 24

Flange - lado da SEN 4 8 3 7

Flange - lado oposto a SEN 13 16 11 13

Utilizando apenas modelamento físico, Zhang et al. (2014) avaliaram o de fluxo de aço no molde de lingotamento contínuo de beam blank de dimensões 420mmX360mmX90mm e 800mm de altura (altura efetiva de 700mm). O modelo foi construído em escala 1:1, com altura de 1,4m, e os parâmetros analisados são apresentados na tabela 3.2.

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Tabela 3.2 – Parâmetros experimentais do modelamento físico de molde de lingotamento contínuo de

beam blank realizado por Zhang et al. (2014).

Fator avaliado Valores Parâmetros fixos

Diâmetro interno da SEN 30mm, 35mm, 40mm 1,0m/min, 70mm Imersão da SEN 50mm, 70mm, 90mm, 110mm 1,0m/min, 40mm (diâmetro) Velocidade de lingotamento 1,0m/min, 1,2m/min, 1,4m/min, 40mm (diâmetro) e 70mm (imersão)

Para simular a remoção de inclusões não-metálicas no interior do molde, Zhang et al. (2014) introduziram no fluxo do molde de beam blank partículas de densidade menor que da água e tamanho de aproximadamente 100μm, utilizando o critério de similaridade cinemática dado pela Equação 3.9. Em cada teste com duração de 5min, uma amostra de 5g de partículas era introduzida no fluxo de líquido, e as partículas que passavam pelo molde eram capturadas na saída do molde. Após secagem, eram pesadas e o resultado era utilizado para calcular a taxa de remoção de inclusões. 𝑅_{𝑖𝑛𝑐,𝑚}2 _{∗ 𝜇} 𝑎ç𝑜 𝑅_{𝑖𝑛𝑐,𝑝}2 _{∗ 𝜇} á𝑔𝑢𝑎∗ (𝜌á𝑔𝑢𝑎− 𝜌𝑖𝑛𝑐,𝑚) (𝜌𝑎ç𝑜− 𝜌𝑖𝑛𝑐,𝑝) =√ 𝜆 (3.9)

Onde _{𝑅𝑖𝑛𝑐,𝑝} e _{𝑅𝑖𝑛𝑐,𝑚} são o raio da inclusão no protótipo e no modelo, respectivamente;_{𝜇𝑎ç𝑜} e 𝜇á𝑔𝑢𝑎 são a viscosidade cinemática do aço a 1600°C e da água à temperatura ambiente,

respectivamente; _{𝜌𝑎ç𝑜}, _{𝜌á𝑔𝑢𝑎},_{𝜌𝑖𝑛𝑐,𝑝} e _{𝜌𝑖𝑛𝑐,𝑚} são a densidade do aço, da água, da inclusão no protótipo e da inclusão no modelo, respectivamente.

Zhang et al. (2014) também avaliaram a profundidade de penetração do jato por meio da injeção de corante como traçador e o nível de flutuação do menisco, quando da utilização de óleo para simular a escória no molde. Na Figura 3.7 nota-se que o aumento na imersão das válvulas submersas resultou no aumento da profundidade de penetração do jato. A distribuição de escória para as velocidades de lingotamento iguais a 1,0m/min, 1,2m/min e 1,4m/min são mostradas na Figura 3.8. Pode-se notar que a camada de escória é estável a 1,0m/min (espessura uniforme, e sem muitas oscilações) e com o aumento da velocidade de lingotamento, observaram-se flutuações da interface água/óleo e a distribuição de escória

17 tende a tornar-se desigual (variação na espessura da camada), sendo necessário ajustar a profundidade de imersão para evitar a exposição da superfície do fluido.

Figura 3.7 – Profundidade de penetração do jato para SEN de diâmetro interno de 40mm, velocidade de lingotamento de 1,0m/min e imersão da SEN de: (a) 50mm; (b) 70mm; (c) 90mm; (d) 110mm

(ZHANG et al., 2014).

Figura 3.8 – Distribuição de escória no molde de beam blank para velocidade de lingotamento igual a: (a) 1,0m/min; (b) 1,2m/min; (c) 1,4m/min. Diâmetro interno e imersão da SEN de 40mm e 70mm,

18 Em resumo, Zhang et al. (2014) observaram que existem seis vórtices no molde: dois redemoinhos em direções opostas na alma, e quatro nos flanges. Para profundidade de imersão das válvulas e velocidade de lingotamento fixas, o aumento do diâmetro interno das válvulas resulta em menor nível de flutuação no menisco e eleva a taxa de remoção de inclusões não-metálicas. De acordo com os indicadores analisados, estes pesquisadores concluíram que a SEN de diâmetro interno igual a 40mm, profundidade de imersão entre 70mm e 90mm e velocidade de lingotamento de 1,0m/min representam a melhor configuração para o molde de beam blank avaliado.