TFC - Rafael Fernandes Reis

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS Curso de Graduao em Engenharia Metalrgica e de Materiais Trabalho Final de Curso II ANLISE DA VIABILIDADE DO USO DE INIBIDORES DE TURBULNCIA EM UM DISTRIBUIDOR DE LINGOTAMENTO CONTNUO DE TARUGOS Autor: Rafael Fernandes Reis Orientador: Prof. Roberto Parreiras Tavares Julho 2010 UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS Curso de Graduao em Engenharia Metalrgica e de Materiais Rafael Fernandes Reis ANLISE DA VIABILIDADE DO USO DE INIBIDORES DE TURBULNCIA EM UM DISTRIBUIDOR DE LINGOTAMENTO CONTNUO DE TARUGOS TrabalhoFinaldeCursoapresentadoaoCursodeGraduao em Engenharia Metalrgica da Universidade Federal de Minas Gerais rea de concentrao: Metalurgia Extrativa Orientador: Prof. Roberto Parreiras Tavares Belo Horizonte Escola de Engenharia da UFMG 2010 ii AGRADECIMENTOS Queroprestarmeusagradecimentosatodosaqueles,quedeformadiretaouindireta contriburamparaarealizaodestetrabalho.Algunspeloapoiotcnico-cientfico, outros pelo apoio emocional. Tenho, por dever e gratido agradecer aos meus queridos amigos que, de uma forma to querida,memostraramaverdadeirarazodoviver.Natliapelacompanhianas madrugadas. Agradeo aos profissionais do grupo GERDAU pela confiana emnossos projetos. Ao empenho nos testes industriais que propomos. AoscolegasdolaboratriodeSimulaodeProcessos(LaSiP),tantoosformados quanto os da nova gerao. Ao professor Parreiras pelos ensinamentos. Asua entrega um exemplo a serseguido por todos ns. Dificilmente terei oportunidade de conhecer um profissional to dedicado e responsvel. AoEngenheiroBrenoTottiMaia,quemcontribuiunaminhaformaoemmaior proporo, propondo desafios e acreditando em nosso trabalho. Aosmeuspais,OfiniOtvioReiseRosngelaFernandespelalucideznosmeus momentos de incerteza. A Deus pelas ddivas que me so oferecidas diariamente.Finalizo meus agradecimentos com uma frase de Sir Isaac Newton: Se fui capaz de ver mais longe, foi porque estava apoiado no ombro de gigantes. iii SUMRIO Pgina RESUMO ................................................................................................................... VI ABSTRACT .................................................................................................................. I 1. INTRODUO .................................................................................................. 1 2.- OBJETIVOS ....................................................................................................... 4 3.- REVISO BIBLIOGRFICA ............................................................................ 5 3.1- Histrico e Descrio do Processo de Lingotamento Contnuo ............................. 5 3.2- Escoamento do Ao Lquido no Lingotamento Contnuo ..................................... 7 3.3 Escoamento do Ao Lquido no Distribuidor ...................................................... 7 3.4 Modificadores de Fluxo ...................................................................................... 8 3.5 Modelamento Matemtico ................................................................................ 10 3.6 Formao do Tarugo de Mistura ....................................................................... 11 4.- METODOLOGIA ............................................................................................. 14 4.1- Breve apresentao do Software CFX-11........................................................... 14 4.2- Apresentao do domnio simulado ................................................................... 15 4.3 Criao da malha no CFX-Mesh ....................................................................... 18 4.4 Condies de contorno no CFX-Pre .................................................................. 22 4.5- Implementao do modelo de Sahai e quantificao do tarugo de mistura .......... 24 iv 4.6-ImplementaodomodelodeLagrangeparasimulaodastrajetriasde incluses ..................................................................................................................... 26 4.7 Validao do modelo matemtico ..................................................................... 28 5.- RESULTADOS E DISCUSSO ....................................................................... 30 5.1- Contornos para a tenso de cisalhamento nas paredes ........................................ 30 5.2- Perfis de velocidade ........................................................................................... 31 5.3- Tarugo de Mistura ............................................................................................. 33 5.4- Linhas de fluxo das partculas de incluso e quantificao de flotados ............... 35 5.5- Validao do Modelo ........................................................................................ 38 6.CONCLUSES ................................................................................................... 40 7.SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ................................................ 41 8.REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................................. 42 9.BIBLIOGRAFIA ................................................................................................. 43 v LISTA DE FIGURAS Pgina Figura 3.1 - Viso Esquemtica do Processo de Lingotamento Contnuo de Tarugos. .... 5 Figura 3.2 - Exemplo de Tarugo de Mistura. ................................................................ 12 Figura4.1-Esquemarepresentativodasetapaspararealizaodeumasimulaode fluidodinmica computacional. .................................................................................... 15 Figura 4.2 - Viso Esquemtica do distribuidor com pea anti-impacto, (a) vista lateral, (b) vista frontal e (c) vista superior. ............................................................................. 16 Figura 4.3 - - Viso Esquemtica do distribuidor cominibidor de turbulncia, (a)vista lateral, (b) vista frontal e (c) vista superior. .................................................................. 17 Figura 4.4 - Viso com as cotas para o distribuidor na vista superior(a) e na simetria(b) .................................................................................................................................... 17 Figura4.5-Visoesquemticacomcortenasimetriadoinibidor(a)enapeaanti-impacto (b). ................................................................................................................. 18 Figura 4.6 - Malha do domniofsico empregada para simular o escoamento do ao no distribuidor, onde (a) representa a pea anti-impacto e (b) inibidor de turbulncia. ...... 19 Figura4.7-Exemplodeutilizaodostiposdemeshcontrols,ponto(a),linha(b)e tringulo(c). (CFX - Mesh help) .................................................................................. 20 Figura 4.8 - Impacto da utilizao nos elementos de volume em tetraedros (CFX Mesh .help) ........................................................................................................................... 20 Figura 4.9 - Regio de aplicao do inflated boundary. ................................................ 21 Figura 4.10 - Esquema representativo das condies de contorno no distribuidor. ........ 23 Figura 4.11 - Exemplo de curva F ................................................................................ 24 Figura 4.12 - Exemplo de curva DTR. ......................................................................... 25 Figura 5.1 - Contorno com a tenso de cisalhamento sns paredes dodistribuidor. ....... 30 Figura 5.2 - Perfis de velocidade no plano de simetria das configuraes com (a) e sem inibidor (b). ................................................................................................................. 31 Figura5.3-Perfisdevelocidadenoplanointermediriodasconfiguraescom(a)e sem inibidor (b). .......................................................................................................... 32 Figura5.4-Perfisdevelocidadenoplanomaisprximoaoveiolateralparaas configuraes com (a) e sem inibidor (b). .................................................................... 33 vi RESUMO Oprocessodelingotamentocontnuoatecnologiaparasolidificaodoaomais utilizadapelasindustriaissiderrgicasnaatualidade.Visandoatendersdiferentes demandas do mercado, algumas empresas fabricam diversas qualidades de ao. A fim de aliar alta produtividade e custos baixos no lingotamento contnuo, necessrio utilizar seqenciaislongos. Nesse caso, ocorre o lingotamento de diferentes qualidades deaosemumamesmasequncia,produzindooschamadostarugosdemistura, formados durante a transio de qualidades. Estestarugosdemistura,porapresentaremumacomposioqumicavarivel,no podemsercomercializadoscomoumprodutohomogneo,sendodesclassificados quanto qualidade para os clientes finais. Amodelagemmatemticavemsendoaplicadaparaotimizaodoescoamentono distribuidor de lingotamento contnuo. Porm, o inibidor de turbulncia proposto ainda no tinha sido simulado para viabilizar industrialmente a sua utilizao. Assim,oobjetivodestetrabalhofoiavaliaraviabilidadedautilizaodoinibidorde turbulncia num distribuidor de lingotamento continuo de tarugos. Atravs de perfis de velocidades, tenses de cisalhamento, flotao de incluses e comprimento do tarugo de mistura. Aescaladamodelagemmatemticautilizadafoiamesmadaindustrial.Osoftware comercial ANSYS CFX11 que se utiliza da tcnica dos volumes finitos foi empregado pararealizaodamodelagem.Foiutilizadoummodelodeturbulnciaeasimulao foi realizada considerando o escoamento nos estados estacionrio e transiente. Avalidaodomodelomatemticofoiefetuadaatravsdacomparaocomumteste industrial com traador de cobre, expressos em termos da curva F. Os resultados obtidos durante o modelamento matemtico mostraram que o inibidor de turbulncia vivel para aplicao em todas as variveis analisadas. ABSTRACT The continuous casting processis themost widely used technologyby the stealmaking industrynowadays.Aimingatsatisfyingthedifferentmarketdemands,theindustries generally produce different grad