- I - UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA METALÚRGICA

Análise do Efeito do Uso de Inibidores de

Turbulência e da Configuração da Válvula

Submersa no Escoamento do Aço em Máquinas de

Lingotamento Contínuo de Placas

Autor: Leonardo José Silva de Oliveira

Orientador: Roberto Parreiras Tavares

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Leonardo José de Oliveira

Análise do Efeito do Uso de Inibidores de Turbulência e a

Configuração da Válvula Submersa no Escoamento do Aço em

Máquinas de Lingotamento Contínuo de Placas

Relatório Final do Projeto de Iniciação Científica

Orientador: Roberto Parreiras Tavares

Belo Horizonte

Escola de Engenharia da UFMG

2003

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Sumário

LISTA DE FIGURAS... V LISTA DE TABELAS... VII RESUMO ... VIII 1 - INTRODUÇÃO ...1 2 - OBJETIVOS ...4 3 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ...5 3.1 - Inibidores de turbulência ...9 3. 2 - Molde ...10

3.3 - Curvas de Distribuição de Tempo de Residência ...5

3.3.1 - Interpretação das curvas DTR ...6

3.3.1.1 - Volume de Mistura...6 3.3.1.2 - Volume Pistonado...7 3.3.1.3 - Volume Morto ...8 4 – METODOLOGIA ...14 4.1 – Inibidores de Turbulência ...15 4.1.1 – Geometrias Avaliadas ...15

4.1.2 – Técnica de “pulse input”...17

4.2 – Molde...17

4.2.1 – Configurações da Válvula Submersa...19

4.2.2 – Técnica de visualização de fluxo ...20

5 – RESULTADOS E DISCUSSÃO...21

5.1 – Inibidores de Turbulência ...21

5.2 – Molde...29

8 – CONCLUSÕES...37

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LISTA DE FIGURAS

Figura 3. 1: Desenho esquemático de um inibidor de turbulência posicionado dentro do

distribuidor...10

Figura 3. 2: Visão esquemática do lingotamento continuo e suas regiões de solidificação. ...12

Figura 3. 3: Curva DTR para um distribuidor hipotético formado somente por volume de mistura ...7

Figura 3. 4: Curva DTR para um distribuidor onde o fluxo é totalmente pistonado...7

Figura 3. 5: Vários tipos de curvas DTR. Curva a : volume de mistura. Curva b: volume pistonado + volume morto. Curva c: fluxo real...8

Figura 4. 1: Desenho esquemático das instalações do laboratório. ...14

Figura 4. 2: Desenho esquemático dos inibidores de turbulência retangulares ; a) inibidor I1, b) inibidor I0. ...16

Figura 4. 3: Desenho esquemático dos inibidores de turbulência cilíndricos ; a) inibidor I2, b) inibidor I3. ...16

Figura 4. 4: Desenho esquemático do molde de lingotamento contínuo de placas. ...18

Figura 4. 5: Válvula submersa e seus respectivos bocais...19

Figura 5. 1: Curvas DTR para o inibidor de Turbulência retangular, caso I0. ...22

Figura 5. 2: Curvas DTR para o inibidor de Turbulência retangular, casos I1...23

Figura 5. 3: Curvas DTR para o inibidor de Turbulência cilíndrico, casos I2...24

Figura 5. 4: Curvas DTR para o inibidor de Turbulência cilíndrico, casos I3...25

Figura 5. 5: Sequencia de imagens para visualisação do escoamento no interior do distribuidor, sem qualquer modificador de fluxo...28

Figura 5. 6: Sequencia de imagens para visualisação do escoamento no interior do distribuidor, com o inibidor de turbulencia I0...29

Figura 5. 7: Visualização da alimentação do distribuidor; a esquerda sem inibidor de turbulência, a direita com inibidor de turbulência...30

Figura 5. 8: Comportamento do nível do molde durante os ensaios de visualização de fluxo...31

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Figura 5. 9: Visualização do fluxo no interior do distribuidor para a configuração de válvula submersa de +15º. ...32 Figura 5. 10: Visualização do fluxo no interior do distribuidor para a configuração de

válvula submersa de 0º...33 Figura 5. 11: Visualização do fluxo no interior do distribuidor para a configuração de

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LISTA DE TABELAS

Tabela I. 1: : Produção de aço bruto por processo de lingotamento ( 103 t )... 1

Tabela IV. 1: Parâmetros utilizados nos ensaios para obtenção das DTR... 15

Tabela V. 1: Frações de volume calculadas para cada configuração de inibidor de

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RESUMO

Tendo em vista que hoje em dia o processo de lingotamento continuo é muito importante quando comparados a outros processos de solidificação dos metais, o seu estudo e o conhecimento de suas variáveis é de grande importância para se produzir aços de qualidade. Qualidade essa cada vez mais importante em um mercado exigente e competitivo. Na indústria se busca, então, o conhecimento de variáveis como perfil de temperaturas e de velocidade do metal líquido nos vários reatores que compõem o lingotamento continuo. Em se tratando de limpidez do aço, a variável de grande importância é o comportamento do fluxo de metal liquido dentro destes reatores. Para o estudo do comportamento do fluxo do metal líquido no lingotamento continuo é comum selançar mão de ferramentas como os modelamento matemático e físico do equipamento industrial, tendo em vista que avaliar esse comportamento em plantas industriais é muito complicado e demasiadamente caro.

Neste trabalho serão apresentados os estudos referentes à influência do uso de inibidores de turbulência e a configuração da válvula submersa nos parâmetros de escoamento do aço liquido no distribuidor e molde de lingotamento contínuo de placas. Os parâmetros foram avaliados usando-se um conjunto de modelos físicos nos quais através da interpretação de curvas DTR e da técnica de visualização de escoamento tais parâmetros foram quantificados.

O presente trabalho mostrou que o uso de inibidores de turbulência melhora significativamente os parâmetros de escoamento do aço líquido no distribuidor, podendo com isso auxiliar na limpidez do aço melhorando, a qualidade do produto final.

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1 - INTRODUÇÃO

O lingotamento contínuo é hoje a forma mais usual de se processar o aço líquido industrialmente. Este processo é responsável pela solidificação da maior parte dos aços produzidos nas aciarias. Um exemplo dessa importância do lingotamento continuo frente a outras formas de solidificação do aço líquido pode ser visualizada na Tabela I.1.

Tabela I. 1: : Produção de aço bruto por processo de lingotamento ( 103_{t )}

PROCESSO 1997 1998 1999 2000 2001 Lingotamento Contínuo 19.316 20.700 22.050 25.156 24.470 Lingotamento Convencional 6.822 5.044 2.925 2.717 2.221 Aço para Fundição 15 16 21 22 26 Total 26.153 25.760 24.966 27.865 26.717 Fonte: Instituto Brasileiro de Siderurgia. A siderurgia brasileira em números. IBS, Rio de Janeiro, abril de 2002.

O processo de lingotamento aumentou sua participação na produção de aço por assegurar notáveis vantagens sobre o processo convencional, permitindo a eliminação de uma série de etapas intermediárias entre o aço líquido e o semi-produto (placa ou tarugo), resultando em um menor custo operacional, menor consumo de energia e maior produtividade. Atualmente, os esforços estão sendo voltados para o lingotamento continuo de placas finas, com laminação direta para tiras, que elimina o reaquecimento tradicional e desbastes das placas, e o desenvolvimento do lingotamento de tiras para posterior laminação a frio, eliminando ou reduzindo significativamente o processo de laminação a quente.

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A primeira proposição para uma máquina de lingotamento contínuo, com projeto correspondente aos atuais, foi formulado em 1887 na Alemanha e já naquela época, o projeto incluía molde refrigerado a água, aberto nas duas faces, alimentado por um jato de metal líquido, uma zona de refrigeração secundária, barra falsa, rolos extratores e mecanismos para o corte do produto, tendo-se ainda, desde os primeiros estudos destacado a necessidade do movimento relativo entre o veio e as paredes do molde. A concepção das máquinas de lingotamento contínuo veio então mudando com o tempo e os esforços foram voltados para a melhoria do rendimento, ampliação dos tipos de aços passíveis de serem lingotados continuamente, aumento de produtividade, melhoria da qualidade das placas visando reduzir seu condicionamento superficial, e posteriormente o enfornamento, direto sem necessidade de inspeção prévia das placas, possibilitando economia de energia e maior garantia da qualidade do produto final.

No Brasil, o lingotamento contínuo teve inicio em 1960, com a instalação de uma máquina para a produção de tarugos pela empresa RIOGRANDENSE. Em 1976 foi iniciada a produção de placas pela USIMINAS, com a instalação de uma linha de produção de duas máquinas de lingotamento continuo de dois veios cada uma. A seguir este processo foi introduzido também na CSN, ACESITA e COSIPA.

Hoje, com o avanço da tecnologia e das ciências dos materiais, o mercado tem exigido produtos de alta qualidade para aplicações cada vez mais específicas. Uma grande preocupação com relação aos aços é a sua limpidez. No intuito de se conseguir aços mais limpos, livres de inclusões, muito se tem pesquisado e investido na melhoria de processos e equipamentos para que as novas exigências de qualidade, impostas pelo mercado bastante competitivo e globalizado, sejam atendidas. A preocupação com a limpidez do aço existe em todas as etapas de produção, mas é no lingotamento contínuo a última chance de se retirar inclusões. Sendo assim, o conhecimento de parâmetros de escoamento nos diversos reatores que compõem uma máquina de lingotamento contínuo é muito importante. Otimizando-se estes parâmetros pode-se garantir uma melhor operação do sistema, garantindo melhor de qualidade ao produto final.

Duas das ferramentas utilizadas no estudo dos efeitos dos parâmetros de escoamento do aço líquido são os modelamentos físico e matemático. No modelamento

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físico, são construídos modelos em escala de laboratório, nos quais podem ser feitas diretamente as medidas de interesse. No modelamento matemático são utilizados princípios físicos que devem ser seguidos pelo processo (conservação de massa, de momento, etc...) e, a partir deles, são determinados os perfis de velocidade, grandezas de turbulência e temperatura. Todo modelamento matemático deve ser validado através de informações obtidas no processo industrial ou em modelos físicos.

A utilização de modelos físicos constitui-se em um poderoso recurso na solução de problemas técnicos, levando-se em conta aspectos como tempo, custos reduzidos e obtenção de medidas mais precisas, pois torna possível controlar as principais variáveis que interferem no processo em estudo.

O presente trabalho trata de um estudo do efeito de inibidores de turbulência e da configuração da válvula submersa nos parâmetros de escoamento do aço. Para isso foram utilizados um conjunto de modelos físicos de uma máquina de lingotamento contínuo de placas em escala reduzida de 1:3 em relação ao equipamento industrial.

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2 - OBJETIVOS

O presente trabalho tem como objetivos utilizar um conjunto de modelos físicos construídos em acrílico cristal em escala reduzida de 1:3, em relação ao equipamento industrial, para;

• Avaliar o efeito de diferentes geometrias de inibidores de turbulência no escoamento do aço líquido em um distribuidor de uma máquina de lingotamento contínuo de placas.

• Avaliar como a configuração da válvula submersa afeta o escoamento do aço líquido dentro do molde de lingotamento continuo de placas. Para tal foram utilizadas três configurações de porta de saída de válvula; de ângulos de -15º, 0º e +15º em relação a horizontal.

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3 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Neste item serão abordados aspectos relevantes para o estudo aqui proposto. Serão discutidos alguns aspectos relacionados aos efeitos dos inibidores de turbulência no escoamento do aço bem como algumas considerações sobre os parâmetros relevantes a serem avaliados no estudo, tais como a interpretação de uma curva DTR. Serão tratados também alguns aspectos teóricos relacionados com a operação do molde de lingotamento contínuo de placas.

3.1 - Curvas de Distribuição de Tempo de Residência

O tempo de residência teórico (tr) do aço líquido no interior do distribuidor é facilmente calculado de acordo com a equação.

Q

V

t

_r

=

(1) onde tr é dado em segundos , V é o volume do distribuidor (m3) e Q é a vazão de aço no

distribuidor (m3_/s).

Como uma porção de fluido pode seguir diversos caminhos desde a entrada até a saída do distribuidor, existe uma distribuição dos tempos de residência (DTR) ao invés de um valor único para esse parâmetro.

Para determinar a distribuição dos tempos de residência é preciso marcar uma porção de fluido que entra no distribuidor, e identificá-la na saída. Para isso, é comum adicionar um traçador (soluções a base de sais, ácidos ou corantes) ao jato de entrada do distribuidor e medir sua concentração nas saídas. A técnica mais utilizada para a adição do traçador é a adição em pulso ( “pulse input” ), que consiste da injeção de traçador durante um curto intervalo de tempo comparado ao tempo de residência teórico, e medida da quantidade de traçador na saída do reator em função do tempo.

As curvas DTR são normalmente apresentadas na forma normalizadas, ou seja, considerando os valores de tempo e concentração adimensionais. O tempo adimensional

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é obtido se dividindo o tempo de ensaio pelo tempo de residência teórico. A concentração adimensional é obtida dividindo-se a concentração medida na saída do distribuidor pela quantidade de traçador injetado dividida pelo volume do distribuidor.

3.3.1 - Interpretação das curvas DTR

O comportamento do fluxo no interior do distribuidor pode ser representado por um modelo chamado de modelo de mistura. As curvas DTR devem ser analisadas com relação a alguns parâmetros relevantes como volume morto, Vd (um volume de fluxo estagnado), volume de mistura, Vm, e volume pistonado, Vp. O volume morto corresponde a uma região de baixa velocidade que, em certos casos, pode ser considerada, como sendo uma zona completamente estagnada. O volume pistonado está associado ao primeiro instante de tempo em que se detecta o traçador na saída do distribuidor. Caso o reator seja de pistão perfeito, sem retardo e sem mistura, esse tempo corresponderá ao tempo de residência teórico.

3.3.1.1 - Volume de Mistura

No volume de mistura, o traçador injetado é dispersado instantanea e uniformemente por todo o distribuidor. A curva DTR para um distribuidor hipotético, composto exclusivamente por um fluxo misturado, é mostrado na figura 3.1. Observa-se que o traçador aparece na saída do distribuidor imediatamente após ter sido injetado.

Concentra

ção adimensional

0

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Figura 3. 1: Curva DTR para um distribuidor hipotético formado somente por volume de mistura

O volume de mistura deve ser evitado no distribuidor, pois ele representa uma porção de fluido que movimenta de maneira turbulenta, podendo causar arraste de escória do distribuidor para o molde.

3.3.1.2 - Volume Pistonado

O volume pistonado é caracterizado por um fluxo que passa pelo distribuidor sem se misturar. A figura 3.4 mostra, esquematicamente, o avanço de uma porção de traçador injetada em um distribuidor constituído exclusivamente por fluxo pistonado.

O volume pistonado é favorável a flotação das inclusões, pois representa um fluxo uniforme que, atravessa toda a seção do distribuidor gerando uma maximização do tempo de residência.

tn

Cn

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3.3.1.3 - Volume Morto

O volume morto é representado pela porção de fluido que se move tão lentamente, que poder ser considerada como estagnada. O fato de existir zonas de fluxo estagnado faz com que haja uma outra porção de fluido que se movimenta mais rapidamente no distribuidor. Pode-se dizer, então, que as inclusões contidas nessa região de fluxo mais rápido podem não ter tempo suficiente para flotar. A figura 3.5 mostra a representação esquemática dos tipos de fluxos nos reatores.

c

b

a

Tempo

Concentração

1

Figura 3. 3: Vários tipos de curvas DTR. Curva a : volume de mistura. Curva b: volume pistonado + volume morto. Curva c: fluxo real.

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3.2 - Inibidores de turbulência

Uma questão muito importante para o processo de lingotamento contínuo é o fluxo do aço na panela, no distribuidor e no molde. Um fluxo turbulento, gerado pela alta velocidade do metal líquido, causa vários problemas neste processo. Um fluxo turbulento no distribuidor pode gerar arraste de escória ou de fragmentos de refratários, prejudicando a limpidez do aço, causando o aumento do número das inclusões não metálicas. O aumento do tempo de permanência do aço líquido no distribuidor, através do uso de modificadores de fluxo, auxilia na limpeza do aço, pois um maior tempo de residência acarreta uma maior possibilidade de flotação das inclusões.

Outro problema é a formação de “splash” no inicio de uma seqüência de lingotamento continuo ou na troca de panelas. Neste momento há formação de uma zona de grande turbulência próxima ao jato de entrada do aço líquido, o que pode ocasionar incorporação de oxigênio e nitrogênio ao aço devido ao contato com o ar nesta zona de turbulência. Essa grande turbulência também favorece a incorporação da escoria e de inclusões, provenientes de fragmentos de refratários.

Para que estes problemas relacionados com a alta turbulência sejam minimizados, dispositivos chamados inibidores de turbulência vêm sendo utilizados com o intuito de diminuir a turbulência no jato de entrada e aumentar o escoamento pistonado do aço dentro do distribuidor.

Estudos realizados por MORALES et. al. mostraram que o uso de inibidores de turbulência tem um efeito significativo no aumento da fração de volume pistonado no distribuidor minimizando também a formação de “splashing”. Observou-se também que o uso de inibidores de turbulência melhoram a fração de mistura.

Outro fenômeno que pode ser evitado com o uso de inibidores de turbulência é o curto circuito, o menor caminho percorrido pelo aço dentro do distribuidor, que abaixa o tempo de residência mínimo do aço no distribuidor, podendo arrastar inclusões diretamente para o molde.

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O uso de inibidores de turbulência pode acarretar uma série de ganhos na produção de aço, tais como:

• Melhoria no perfil de escoamento do aço dentro do distribuidor, aumentando com isso o seu tempo de permanência no reator;

• Direcionamento do escoamento do aço para a superfície livre, favorecendo a captura de inclusões pela escória;

• Minimização do “splash” no jato de entrada, diminuindo a turbulência, com uma conseqüente diminuição do teor de oxigênio e do “pick up” de nitrogênio;

• Melhoria na limpidez do aço durante a troca de panelas, com a diminuição de obstrução de válvulas submersas.

A figura 3.1 mostra um desenho esquemático de um inibidor de turbulência dentro do distribuidor.

Figura 3. 4: Desenho esquemático de um inibidor de turbulência posicionado dentro do distribuidor.

3. 3 - Molde

O molde é a ultima etapa do processo de lingotamento continuo. Ele é responsável por dar a forma final ao aço que nele se solidifica. Variáveis relacionadas à transferência de calor e escoamento do aço líquido dentro do molde são muito importantes e estão ligadas à maneira com que o aço irá se solidificar.

A principal função do molde no lingotamento contínuo é dar a forma desejada ao metal solidificado. A solidificação se dá pelo contato entre o molde, geralmente construído

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em cobre e refrigerado por água, e o aço líquido. O aço quando entra em contato com o molde se solidifica rapidamente e passa ser extraído por um conjunto de rolos extratores.

O molde tem um movimento oscilatório na direção do lingotamento, para evitar o agarramento do aço e favorecer a lubrificação. A lubrificação é feita pelo uso do pó fluxante, que é uma escória de baixo ponto de fusão e viscosidade, adicionada no topo do molde. Além de lubrificar, o pó fluxante tem ainda a capacidade de absorver inclusões não metálicas; controlar a transferência de calor entre o aço e o molde; proteger a superfície do aço líquido contra a reoxidação e isolar termicamente a superfície líquida. A figura 3.2 mostra esquematicamente o molde, o distribuidor e suas zonas de importância.

À medida que se forma a pele solidificada devido ao fluxo térmico imposto pelas paredes do molde, ocorre a contração do material solidificado, gerando o chamado “gap” provocando uma perda na capacidade de extração de calor do molde.

As estruturas formadas na placa durante a solidificação são basicamente três, zona coquilhada, zona colunar e zona equiaxial. Logo quando o metal entra em contato com o molde, ocorre a formação da zona coquilhada, que consiste de cristais pequenos não direcionados. Logo após a zona coquilhada, há a formação da zona colunar, que cresce na direção paralela à direção de extração de calor. Uma zona colunar muito espessa é indesejável, pois promove a segregação central das inclusões.

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O padrão de escoamento do aço no veio de lingotamento é de grande importância, pois interfere na frente de solidificação, nos níveis de turbulência e determina a interação entre o aço e o pó fluxante. O padrão de escoamento do aço no molde pode ser influenciado por uma série de fatores como: a injeção de gás (Argônio) na válvula submersa; a seção e a penetração da válvula submersa; a velocidade de lingotamento; e forças eletromagnéticas usadas para agitação no molde, dentre outras.

A configuração da válvula é muito importante para o processo de lingotamento continuo. Sabe-se que ela influencia tanto na parte operacional quanto na qualidade do produto. Estudos têm sido realizados com o intuito de se relacionar à geometria da válvula submersa com o padrão de escoamento no molde e mecanismos de flotação de inclusões.

A posição dos controladores de fluxo, em forma de gaveta (válvulas gavetas), também influenciam no escoamento dentro do molde, uma vez que esse posicionamento influencia no padrão de escoamento dentro da válvula, podendo causar desequilíbrio no fluxo.

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4 – METODOLOGIA

Os estudos dos efeitos dos inibidores de turbulência e da configuração da válvula submersa foram feitos através do uso de modelos físicos construídos em acrílico cristal com uma relação geométrica de 1:3 em relação ao distribuidor industrial. A Figura 4.1 mostra um desenho esquemático das instalações do laboratório.

4

3

1

2 1 – distribuidor 2 – Molde 3 – bombas hidráulicas

4 – caixas d’água

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4.1 – Inibidores de Turbulência

Os inibidores de turbulência foram construídos em várias geometrias para que se pudesse avaliar o efeito dos mesmos no fluxo dentro do distribuidor. As condições de ensaio foram mantidas constantes para todos os inibidores utilizados. Estas condições são mostradas na Tabela IV.1.

Tabela IV. 1: Parâmetros utilizados nos ensaios para obtenção das DTR.

Volume de água para 38 t.

200 L

Vazão do ensaio

50 l/min

Concentração de traçador

125 g/l

Todos o ensaios de obtenção das Curvas de Distribuição de Tempo de Residência foram realizados em triplicata, para verificação da reprodutibilidade dos resultados.

4.1.1 – Geometrias Avaliadas

Foram construídos inibidores de turbulência em duas geometrias básicas: retangulares e cilíndricos. Sendo que cada geometria apresentou configurações diferentes em cada ensaio.

A Figura 4.2 mostra o desenho esquemático dos inibidores de turbulência retangulares. O inibidor ilustrado por (a) é o inibidor com aletas cujo conjunto de ensaios foi chamado de I1. O inibidor ilustrado por (b) é o inibidor retangular mais simples, sem aletas, apenas com um formato de caixa sem tampa. A série de ensaios com o uso deste inibidor foi nomeada como I0.

A Figura 4.3 ilustra as geometrias dos inibidores de turbulência cilíndricos utilizados. O inibidor ilustrado por (a) é o inibidor cilíndrico com aletas no formato cilíndrico, e a série de ensaios realizados com esse inibidor foi denominada I4. O inibidor ilustrado por (b) é o inibidor cilíndrico com aletas no formato retangular. A série de ensaios realizados com o uso deste inibidor foi chamada de I5.

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a) b)

Figura 4. 2: Desenhos esquemáticos dos inibidores de turbulência retangulares ; a) inibidor I1, b) inibidor I0.

Figura 4. 3: Desenhos esquemáticos dos inibidores de turbulência cilíndricos ; a) inibidor I2, b) inibidor I3.

b)

a)

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4.1.2 – Técnica de “pulse input”

A eficiência dos inibidores de turbulência foi avaliada através da técnica de “pulse input”. A técnica de “pulse input” consiste da injeção de traçadores, no caso KCl, por um curto período. Esse traçador altera a condutividade elétrica da água. Através de um sensor, posicionado na saída do distribuidor, pode-se medir essa variação de condutividade com o tempo através do condutivímetro. O aparelho de medida de condutividade é conectado através de uma interface ao programa de aquisição de dados.

Como a condutividade é diretamente proporcional à concentração do traçador, através de uma curva de calibração, pode-se determinar o comportamento de um pulso de traçador com o tempo, obtendo uma curva denominada “Curva de Distribuição de Tempo de Residência ou DTR”.

Da análise dessa curva DTR, (referida no item 3.3) pode-se obter parâmetros relevantes (volume de mistura, volume pistonado, volume morto, etc.), que serão alvos da interpretação na analise dos diferentes inibidores de turbulência. Tais parâmetros foram calculados utilizando-se da técnica descrita por SAHAI et. al.

4.2 – Molde

O molde, também parte integrante do modelo físico, é equipado com um medidor de nível ultra-sônico, que possibilita avaliar as variações de nível durante o ensaio. A Figura 4.4 mostra o desenho esquemático do molde. O controle do fluxo entre o distribuidor e o molde é feito através de uma válvula gaveta. E o efeito da configuração da válvula submersa sobre o escoamento foi avaliado para um nível constante no distribuidor de 200 l e de 110 l no molde.

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Figura 4. 4: Desenho esquemático do modelo físico molde de lingotamento contínuo de placas.

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4.2.1 – Configurações da Válvula Submersa

Três configurações de válvula submersa foram utilizadas: válvulas com portas de de saída com ângulos –15º, 0º e +15º em relação a horizontal. A Figura 4.5 mostra o detalhamento das válvulas submersas, com suas respectivas aberturas juntamente com a foto das válvulas em questão.

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4.2.2 – Técnica de visualização de fluxo

Para se avaliar o padrão de escoamento dentro do molde a técnica de injeção de corantes foi utilizada. Essa técnica consiste em se injetar um corante na porção de fluido que entrara no sistema e através de filmagens ou de seqüência de fotos estudar o comportamento do fluido dentro do modelo. Os corantes mais utilizados são o permanganato de potássio e o azul de metileno. Os estudos aqui apresentados foram desenvolvidos com o uso de permanganato de potássio.

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5 – RESULTADOS E DISCUSSÃO 5.1 – Inibidores de Turbulência

A Figura 5.1 e 5.2 mostram as curvas de Distribuição de Tempo de Residência para o caso dos inibidores de turbulência retangulares. Na ordenada estão descritos os valores de concentração adimensional (Cn ) e na abscissa o tempo adimensional (Tn).

As curvas da esquerda mostram os ensaios em triplicata sobrepostos com o intuito de mostrar a reprodutibilidade dos ensaios.

A Figura 5.3 e 5.4 mostram as curvas de Distribuição de Tempo de Residência para o caso dos inibidores de turbulência cilíndricos.

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I0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Tn Cn Curva média 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Tn Cn

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I1 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Tn Cn

Curva média

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Tn Cn

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I2 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Tn Cn Curva média 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Tn Cn

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I3 0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Tn Cn Curva média 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 Tn Cn

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A tabela V.1 mostra as frações de volume médias calculadas para cada inibidor de turbulência, sendo V0 o ensaio correspondente ao distribuidor sem qualquer modificador de fluxo.

Tabela V. 1: Frações de volume calculadas para cada configuração de inibidor de turbulência.

Configuração Fração de volume

pistonado

Fração de volume de

mistura

Fração de volume

morto

V0

0.063 0.574 0.363

I0 0.151 0.597

0.251 I1 0.167 0.544

0.289 I2

0.174 0.515 0.312

I3 0.159 0.529

0.312

Analisando-se os resultados dos parâmetros calculados, a partir das curvas DTR, em comparação ao V0 (distribuidor sem inibidores de turbulência), pode-se verificar que o uso de inibidores de turbulência proporcionou uma melhoria em tais parâmetros.

Constata-se que;

• O volume pistonado aumentou em média 158%;

• O volume de mistura diminuiu em média 5%; sendo que o caso I0 mostrou um aumento de 2% neste parâmetro.

• O volume morto diminuiu em média 20%.

O resultado mais expressivo foi o ganho com relação ao volume pistonado. Isso confirma a eficiência dos inibidores de turbulência em evitar ou minimizar o curto circuito, direcionando o fluxo para a superfície livre do distribuidor.

A melhor configuração de inibidor de turbulência avaliada foi a I2 (cilíndrica com aletas no formato retangular). Essa configuração mostrou o maior aumento no volume

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pistonado (176%) e uma maior diminuição no volume de mistura (10%) em relação ao distribuidor sem inibidor de turbulência.

As Figuras 5.5 e 5.6 mostram sequências de imagens de injeção de corante no distribuidor. A Figura5.5 mostra uma sequência de imagens para o distribuidor sem qualquer modifcador de fluxo. A Figura 5.6 mostra uma sequência para o distribuidor como o inibidor de turbulência do caso I0.

A sequencia de imagens referidas pelas Figuras 5.5 e 5.6 mostra uma mudança no escoamento do aço dentro do distribuidor. Para o distribuidor sem modificadores de fluxo o escoamento do traçador é preferencialmente pelo fundo do distribuidor. Já para o distribuidor com inibidor de turbulência o traçador é direcionado para a superfície livre do líquido. Nota-se que o tempo em que o permanganato leva para alcançar a saída do distribuidor é menor para o caso do distribuidor sem modificadores de fluxo. Tais observações confirmam a eficiencia do uso de inibidores de turbulência em aumentar o tempo de permanencia do aço dentro distribuidor e o direcionamento do fluxo no sentido da superfície livre.

A Figura 5.7 mostra uma sequência de imagens da alimentação do distribuidor. Na esquerda é mostrado o distribuidor sem modificadores de fluxo. À direita o distribuidor com inibidor de turbulência. Constata-se, nesta sequência de imagens, que o inibidor de turbulência diminue o “splash” no ato da alimentação, o que é uma das grandes vantagens do uso de inibidores de turbulência.

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Figura 5. 7: Visualização da alimentação do distribuidor; a esquerda sem inibidor de turbulência, a direita com inibidor de turbulência.

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5.2 – Molde

Usando as técnicas de visualização de fluxo foram avaliadas três configurações de válvula submersa com ângulo de portas de saída de –15º, 0º e +15º com relação a horizontal. A vazão para todos os casos foi mantida constante e a variação de nível no molde foi avaliada usando a janela de tendências do PLC. O comportamento do nível no molde pode ser visualizado na figura 5.8.

60 65 70 75 80 85 90 95 100 1 26 51 76 101 126 151 176 201

Tempo ( s )

% de enchimento do molde

Figura 5. 8: Comportamento do nível do molde durante os ensaios de visualização de fluxo.

O nível do molde foi mantido, em média, a 88% do seu volume total com um desvio de 0,4% representando uma variação de nível em torno de 5 mm. O nível mínimo registrado foi de 87,4% e o máximo de 88,6%.

As figuras 5.9, 5.10, 5.11 mostram os ensaios realizados com as diferentes configurações do sistema.

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Figura 5. 9: Visualização do fluxo no interior do distribuidor para a configuração de válvula submersa de +15º.

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Figura 5. 10: Visualização do fluxo no interior do distribuidor para a configuração de válvula submersa de 0º.

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Figura 5. 11: Visualização do fluxo no interior do distribuidor para a configuração de válvula submersa de -15º.

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Considerando que o controle do nível de líquido no molde foi manual,

pode-se dizer que os resultados se mostraram bastante satisfatórios. Os efeitos

da variação do nível são pequenos, mas existem. Eles se devem não só ao

controle da vazão na gaveta, mas também, as flutuações de vazão que

ocorrem nas linhas. Como os ensaios foram feitos com tempos relativamente

curtos, as variações de nível não foram muito perceptíveis. Estudos em tempos

maiores de operação devem ser realizados para que melhor se possa avaliar a

sensibilidade do sistema à variação de nível.

Avaliando-se o padrão de escoamento nas três configurações de válvula

submersa constata-se que o fluxo para as configurações +15º e 0º (figuras 5.4

e 5.5) não puderam ser diferenciadas visualmente. Ambas apresentam um

direcionamento do jato de líquido para as paredes do molde o que pode

provocar um retardamento no avanço da frente de solidificação naquela região.

Um jato de aço quente direcionado diretamente para a parede do molde pode

aumentar os riscos de rompimento de pele solidificada, causando possíveis

paradas de operação. Já o comportamento do jato para o caso –15º se mostra

menos direcionado as paredes do molde. Para a configuração –15º o jato de

aço é direcionado para regiões mais baixas no molde, nesse caso pode ocorrer

a formação de uma zona estagnada na parte superior do molde. Uma

consequência do surgimento de uma zona estagnada na superfície de molde é

o retardo na fusão do pó fluxante diminuindo a lubrificação do molde.

Os dois primeiros casos (+15º e 0º) também mostram um maior

direcionamento da recirculação no sentido da superfície livre do molde que o

caso 3 (-15º). Esse direcionamento pode gerar uma maior interação do jato de

aço com a camada de fluxante podendo gerar arraste e incorporação do

mesmo. Para que essa hipótese seja verificada devem ser feitos ensaios com

fluidos que simulem o comportamento do pó fluxante.

A dificuldade de se diferenciar os casos 1 e 2 ( +15º e 0º ) podem estar relacionados com as condições de operação do modelo. A abertura da valvula gaveta foi muito pequena, o que provocou o não preenchimento de toda a seção da válvula

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submersa com fluido. Outro problema enontrado foi o arrate de gás para o interior do molde, que prejudicou a analise dos resultados. O arrate de gás prejudicou analises na superfície do líquido no molde, pois ele gerou uma turbulencia que não era propria do escoamento. A passagem de gás pela vávula submersa também pode ter interferido no escoamento no interior da mesma. É necessário que a válvula gaveta possua uma melhor vedação para impedir a entrada e o arrate de gás pelo sistema.

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8 – CONCLUSÕES

Os resultados dos ensaios mostraram que o uso de inibidores de turbulência promove um ganho significativo nos parâmetros de escoamento do aço no interior do distribuidor. Um aumento médio de 158% no volume pistonado, uma diminuição de 5% no volume de mistura e uma diminuição de 20% no volume morto foram identificados com relação ao distribuidor sem inibidores de turbulência. Sendo que a melhor configuração avaliada foi a I2 (inibidor de turbulência cilíndrico com aletas retangulares).

O padrão de escoamento para as configurações +15º e 0º não mostraram grandes diferenças sendo necessários maiores estudos para se diferenciar o padrão de escoamento para essa configuração. Já a configuração –15º se mostrou muito diferente com um jato menos direcionado para a direção da parede do molde e uma menor recirculação na direção da superfície livre do molde.