Modelamento matemático do escoamento turbulento, da transferência de calor e da solidificação no distribuidor e na máquina de lingotamento contínuo

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Modelamento matemático do escoamento turbulento, da transferência de calor e da solidificação no distribuidor e na máquina de lingotamento contínuo

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Title: Modelamento matemático do escoamento turbulento, da transferência de calor e da solidificação no distribuidor e na máquina de lingotamento contínuo
Author: Rodrigo Ottoni da Silva Pereira
Orientador: Roberto Parreiras Tavares
Banca:
Presidente: Roberto Parreiras Tavares
Membro: Varadarajan Seshadri; Marcio Ziviani; Rezende Gomes dos Santos; Magda Beatriz Galant François
Subject: Engenharia metalúrgica Teses.; Metalurgia extrativa Teses.; Fundição continua. Modelos matemáticos Teses.
Palavra-chave: Engenharia Metalúrgica e de Minas
Date: 15-04-2004
Publisher: UFMG
Abstract: Neste trabalho foi desenvolvido um conjunto de modelos matemáticos para o processo de lingotamento contínuo e de seus principais fenômenos. Os modelos englobam o distribuidor e o veio de lingotamento contínuo. O modelo considera a transferência decalor, o escoamento de fluidos (com modelos de turbulência do tipo K-e de baixo número de Reynolds) e a transferência de massa.Os modelos permitem cacular os perfis de temperatura, velocidade e das grandezas de turbulência, nos dois equipamentos; os perfis de concentração de carbono na peça solidificada (macrosegregação); a espessura da camada solidificada na máquina de lingotamento contínuo; e o tamanho e a localização da região do veio fora deespecificação no caso de uma troca de panelas com tipos de aço diferentes. A validação do modelo do distribuidor foi feita com o auxílio de experimentos em modelos a frio. Com base nestes experimentos selecionou-se o modelo de turbulência de Launder e Sharma como o mais adequado para ser utilizado em modelos matemáticosde distribuidores. O modelo mostrou que a utilização de dispositivos modificadores de fluxo (dique, barreira e supressor de turbulência) permite a melhora do desempenho dos distribuidores. O modelo indica que experimentos em modelos a frio em escala 1:1 ou em escala 1:3 utilizando o critério de similaridade de Froude ou o de Reynolds levamaos mesmos resultados. O modelo indica ainda a necessidade de se considerar o efeito da variação da densidade do aço com a temperatura nas simulações de distribuidores. Simulações para os distribuidores da Acesita indicam que: aumento da vazão de aço no distribuidor reduz a remoção de inclusões; redução de nível de metal no distribuidorreduz a quantidade de aço a ser descartada na transição entre dois tipos de aço; e redução na penetração da válvula de entrada aumenta a quantidade de aço a ser descartada na transição entre dois tipos de aço.O modelo do veio de lingotamento contínuo apresenta como novidades a inclusão dos efeitos da geometria da válvula submersa sobre a circulação de aço no molde e a possibilidade de realizar os cálculos para todo o veio até a região de corte. O modelo foi validado a partir de medidas de temperaturas na superfície do veio no final da zona deresfriamento forçado da máquina de lingotamento contínuo da Acesita. Foi mostrada a importância de se considerar o escoamento de fluidos no modelo. O modelo indica que o veio só se solidifica completamente a cerca de 13m do menisco. O escoamento de fluidos afeta o processo apenas nos primeiros 4 a 5m do veio, sendo importante apenasnos 2 primeiros metros. Foram avaliados diferentes ângulos para a porta da válvula submersa e verificou-se que um ângulo positivo (direcionado para baixo) leva a uma maior espessura da camada solidificada na região do molde. A introdução do efeito da segregação no modelo faz com que ele indique um maior misturamento do aço, o queimplicaria num maior volume de aço fora de especificação numa transição entre dois tipos de aço. Foram desenvolvidas ainda interfaces amigáveis para os modelos para facilitar o seu uso e torná-los ferramentas úteis no diagnóstico de problemas e proposição de melhoras no processo.
Resumo em lingue estrangeira: In the present work a group of mathematical models for the continuous casting processn and their principal phenomena was developed. The models comprise the tundish and the strand of the continuous casting machine. The model takes into account: heat transfer, fluid flow (with different K-e type low Reynolds number turbulence models) and masstransfer. The models allow the calculation of: temperature, velocity and turbulence variables profiles, in the two equipments; the carbon concentration profiles in the solidified metal (macrosegregation); the solidified shell thickness in the continuous casting machine;and the length and position of the intermixed steel zone in a grade transition. The tundish models were validated using water model data. The results led to the selection of the turbulence model of Launder and Sharma for use in mathematical models of tundishes. The models showed that the use of flow modifying devices (weir, dam and turbulence supressor) can enhance the tundish performance. These models alsoshowed that experiments with water in scale 1:1 or in scale 1:3 using the similarity criteria of Reynolds or Froude lead to similar results. Mathematical simulations showed that the variation of steel density with temperature should be taken into account in tundish simulations. Mathematical simulation for Acesita tundishes indicate: a greatersteel flowrate leads to a smaller inclusion removal; a lower metal depth in the tundish leads to a lower steel volume discarded in a grade transition; a smaller penetration of submerged nozzle leads to a greater steel volume discarded in a grade transition. The new features of the model of the strand of the continuous casting machine are theinclusion of the effects of nozzle port configuration on the fluid flow and the possibility to make the calculations for the whole strand until it reaches the cutter. The model was validated with temperature measurements in the surface of the strand in the end of thecooling zone. It was shown that the mathematical model should take into account the fluid flow. The model also showed that the strand become completely solid at approximately 13m below the meniscus. The fluid flow affects the process in the first 4 to 5 m of the strand, being important only in the first 2 m. Different nozzle port angles were simulated and it was shown that a port with a downward angle leads to a thicker solidified steel shell in the mould zone. The introduction of the effect of segregation in the model indicates that there is a greater mixing of the steel melt, leading to a greater volume discarded in a grade transition. Finally, user-friendly interfaces were developed, so it would be easier to use the models and make them useful tools for problem diagnosis and process development.
URI: http://hdl.handle.net/1843/BUOS-8DVEEE

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