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Title: O efeito do refratário da válvula superior no comportamento das bolhas dentro da válvula submersa e no molde do lingotamento contínuo de placa : modelo físico e matemático.
Authors: Santos Junior, Paulo Luiz
metadata.dc.contributor.advisor: Silva, Carlos Antônio da
Galinari, Clenice Moreira
Keywords: Processos de fabricação - lingotamento contínuo
Computational fluid dynamics - CFD
Aço - processo de fabricação
Materiais refratários
Issue Date: 2020
metadata.dc.contributor.referee: Silva, Carlos Antônio da
Galinari, Clenice Moreira
Nunes, Eduardo Henrique Martins
Lemos, Leandro Rocha
Gameiro, Danton Heleno
Peixoto, Johne Jesus Mol
Citation: SANTOS JUNIOR, Paulo Luiz. O efeito do refratário da válvula superior no comportamento das bolhas dentro da válvula submersa e no molde do lingotamento contínuo de placa: modelo físico e matemático. 140 f. 2020. Tese (Doutorado em Engenharia de Materiais) – Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2020.
Abstract: Gás inerte é injetado no refratário da válvula superior durante o lingotamento contínuo para minimizar o arraste de ar para o sistema e a consequente oxidação do aço, formação de inclusões, obstrução do sistema de refratários, de maneira a se garantir a limpidez do aço. Esse estudo investigou a formação e o comportamento das bolhas a partir da injeção de ar em placas refratárias com diferentes permeabilidades. Para isto foram desenvolvidos três modelos físicos. O primeiro estudou a geração de bolhas na superfície das placas refratárias e nas suas proximidades, sem fluxo tangencial de água. O segundo simulava, por meio de um canal composto de placas refratárias paralelas, o canal de fluxo da SEN; determinou-se o efeito de vazão de líquido e gás sobre o diâmetro de bolhas. O terceiro modelo físico foi empregado para a calibração de um modelo matemático de fluxo bifásico em canal, sob ação de forças de arraste e não arraste. Os filmes foram realizados com câmera de alta velocidade a 3680 e 1000 quadros por segundo para a determinação das características das bolhas. Os resultados da avaliação das imagens dos modelos físicos confirmaram o efeito inverso da permeabilidade do refratário no Diâmetro Médio (DM) das bolhas e a dependência do DM com a vazão das fases contínua (água) e dispersa (ar). Foi então desenvolvido modelo matemático do lingotamento contínuo de placa, com válvula submersa e molde, para avaliação da população de bolhas polidispersas em sistema água-ar, aproveitando a simetria geométrica e de fluxo e os resultados foram comparados com a distribuição de gás nos modelos físicos água-ar. A função MUSIG (Grupo Múltiplo de Tamanho, Ansys CFX) foi adotada como modelo de quebra e coalescência de bolhas. As simulações foram então estendidas para descrever o fluxo real de aço-argônio, considerando um fator de expansão térmica para bolhas de argônio. As simulações via modelo matemático com MUSIG, forças de arraste e não arraste, apresentaram resultados consistentes com os observados no modelo físico. Além disso, observou-se que o aumento da vazão de água propiciou um rolo superior melhor definido com maior velocidade de menisco, o que representa a melhor condição metalúrgica. Outra observação relevante foi que o refratário com maior permeabilidade representou melhor o modelo físico escala 1:1. Por fim, os resultados das simulações com aço e argônio corroboraram os efeitos do aumento do fluxo da fase líquida em relação a: melhor distribuição do gás no molde; redução do diâmetro médio das bolhas no molde; redução da formação de redemoinho perto da face estreita; e aumento de velocidades no menisco.
metadata.dc.description.abstracten: Inert gas is injected into the upper nozzle refractory during continuous casting to minimize air entrance into the system and consequent steel oxidation, inclusions formation, obstruction of the refractory system, in order to guarantee the cleanness of the steel. This study was carried out to investigate the formation and behavior of gas bubbles due to the injection of air into refractory plates with different permeabilities. Three physical models were developed for such. The first one allowed evaluating the bubble generation phenomenon at the surface of the refractory plates and nearby, without tangential flow of water. The second simulated, through a channel composed of parallel refractory plates, the flow channel of SEN; the effect of liquid and gas flow on the bubble diameter was determined. Then, a third physical model was applied for a mathematical model calibration of a biphasic flow in a channel, under the action of drag and non-drag forces. Pictures were taken with a high-speed camera at 3680 and 1000 frames per second to assess bubbles characteristics. The results of the images evaluation from the physical models confirmed the inverse effect of the refractory permeability on the Bubbles Average Diameter (DM) and its dependence with the flow rate of the continuous (water) and dispersed (air) phases. A mathematical model was then developed to simulate the continuous casting of slabs, with Submerged Entry Nozzle (SEN) and mold, to evaluate the population of polydispersed bubbles in water-air system, taking advantage of the geometric and flow symmetry; and the results were compared to gas distribution in the physical models of waterair. The MUSIG function (Multiple Size Group, Ansys CFX) was adopted as a bubble breakage and coalescence model. The simulations were then extended to describe the actual argon-steel flow, considering a thermal expansion factor for argon bubbles. The simulations via mathematical model with MUSIG, drag and non-drag forces, presented results consistent with those observed in the physical model. In addition, it was observed that the increase in the water flow provided a better-defined upper roll with a higher meniscus speed, which represents the best metallurgical condition. Another relevant observation was that the refractory with higher permeability better represents the 1:1 scale physical model. Finally, the results of the steel and argon simulations corroborate the positive effects of increasing the liquid flow rates in regards to: better mold gas distribution; reduction in the average diameter of bubbles in the mold; reduced whirlpool formation near the narrow face; and increased velocities at the meniscus.
Description: Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais. Departamento de Engenharia Metalúrgica, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto.
URI: http://www.repositorio.ufop.br/handle/123456789/12874
metadata.dc.rights.license: Autorização concedida ao Repositório Institucional da UFOP pelo(a) autor(a) em 25/09/2020 com as seguintes condições: disponível sob Licença Creative Commons 4.0 que permite copiar, distribuir e transmitir o trabalho, desde que sejam citados o autor e o licenciante. Não permite o uso para fins comerciais nem a adaptação.
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