Aprimoramento das técnicas de simulação dos fenômenos associados ao escoamento do aço em distribuidores para lingotamento contínuo

• Autor(a) principal: Bernardo Martins Braga
• Data de Publicação: 2019
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Repositório Institucional da UFMG
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/1843/30413
• topic: Modelagem matemática; Modelagem física; Remoção de inclusões; Placa de mistura; Otimização baseada em metamodelo; Engenharia metalúrgica; Metalurgia extrativa; Fundição contínua; Aço - Metalurgia

No processo de lingotamento contínuo, o desempenho do distribuidor é crucial na produção de aços de alta qualidade. Por conta disso, técnicas de modelagem física e matemática são amplamente usadas em projetos de melhoria de distribuidores. No entanto, as técnicas de modelagem atualmente utilizadas apresentam limitações e incertezas significativas. As relações de similaridade entre modelos físicos e distribuidores industriais não são deduzidas de forma rigorosa. Os modelos matemáticos, que predizem a flotação de inclusões não metálicas, falham no tratamento da variabilidade introduzida pela turbulência. Parâmetros calculados a partir de curvas de distribuição de tempos de residência (DTR) são frequentemente usados na avaliação do desempenho fluidodinâmico de distribuidores. Contudo, tais parâmetros não fornecem qualquer estimativa da fração de inclusões removidas no distribuidor ou do comprimento da placa de mistura formada durante trocas de panela, nas quais a vazão e o nível de aço no distribuidor são variáveis. Além disso, não é claro qual parâmetro da curva DTR deve ser considerado primariamente durante a comparação de diferentes configurações de distribuidores. Poucos esforços também foram feitos no emprego de técnicas de otimização aproximadas capazes de estimar o ponto ótimo do sistema com um tempo de cálculo factível. O presente trabalho enfrentou essas deficiências através de sete tarefas: 1) dedução rigorosa das relações de similaridade entre modelos físicos e distribuidores industriais; 2) desenvolvimento de um modelo matemático capaz de prever a média e o desvio-padrão da fração mássica de inclusões não metálicas dentro do distribuidor; 3) elaboração de novos modelos de compartimentos para descrever resultados de curvas DTR; 4) dedução de um modelo analítico para estimar a fração de inclusões não metálicas removidas no distribuidor com base na curva DTR; 5) aplicação de um modelo analítico para prever, a partir de dados da DTR, a extensão da placa de mistura formada no distribuidor; 6) recomendação de procedimentos para avaliação do desempenho fluidodinâmico de distribuidores a partir de curvas DTR; 7) avaliação de uma abordagem baseada em metamodelos para otimização de distribuidores com uso de modelo CFD. Os programas ANSYS CFX e iChrome Nexus foram empregados nos cálculos. Os resultados obtidos foram comparados com dados de modelagem física disponíveis na literatura. Em relação a cada uma dessas sete tarefas, foi concluído que: 1) fatores como se o escoamento no distribuidor está em estado estacionário ou transiente, a temperatura do fluido de trabalho e a importância relativa entre efeitos devido ao empuxo e efeitos devido à aceleração do fluido sobre partículas afetam significativamente os critérios de similaridade que devem usados em modelos físicos; 2) devido à turbulência, há no distribuidor regiões de alta variabilidade da fração mássica de inclusões, que devem ser evitadas durante a coleta de amostras; 3) os modelos de compartimentos propostos permitem tanto uma análise detalhada de curvas DTR com um ou dois picos quanto uma análise simplificada do desempenho global do distribuidor; 4) nas condições testadas, o método baseado na curva DTR para estimativa da fração média de inclusões não metálicas removidas no distribuidor apresentou excelente concordância com o modelo CFD enquanto , em que é uma medida adimensional do tamanho de partícula; 5) na condição testada com vazão e nível de distribuidor variáveis, o método de Niemi-Zenger forneceu uma aproximação de acurácia similar a modelos CFD multifásicos para trocas de panela; 6) quando muitas configurações de distribuidores de um veio (ou de dois veios simétricos) são estudadas de modo global, recomenda-se o uso do parâmetro hold-back; 7) devido à forma altamente complexa da superfície de resposta do modelo CFD de distribuidor, metamodelos frequentemente falham em reproduzi-la acuradamente.