Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/77986
Type: Dissertação
Title: Modelagem física e matemática da mistura de aços em um distribuidor de veio único de lingotamento contínuo de placas durante a troca de panelas
Other Titles: Physical and mathematical modeling of the steel mixing in a single strand tundish of a slab caster during ladle exchange
Authors: Pedro Mourão Domingos
First Advisor: Paulo Vinicius Trevizoli
First Co-advisor: Johne Jesus Mol Peixoto
First Referee: Rudolf Huebner
Second Referee: Leandro Soares de Oliveira
Abstract: No processo de lingotamento contínuo, o desempenho do distribuidor é importante na produção de aços de alta qualidade. Durante a troca de panelas, variações significativas no padrão de escoamento dentro do distribuidor podem ocorrer, afetando a distribuição de temperaturas e a composição química do aço, o que pode comprometer a qualidade do lingote produzido. Em alguns casos, a troca de panelas é acompanhada de variações na composição química do aço que está sendo lingotado. Este trabalho investigou o fenômeno de mistura de diferentes tipos de aço dentro de um distribuidor de veio único de lingotamento contínuo de placas durante a troca de panelas. Os efeitos de fenômenos térmicos e de nível mínimo de banho sobre o padrão de mistura são avaliados por meio de modelagem física em escala reduzida, empregando água como fluido de trabalho devido à respectiva semelhança com o aço líquido em termos de viscosidade cinemática. O número adimensional de Froude foi adotado como critério de similaridade. Quatro cenários experimentais foram considerados, variando a condição térmica (isotérmica e não-isotérmica) e o nível mínimo de banho do distribuidor (alto e baixo). Injeção de solução salina (traçador) e corante foram utilizadas para avaliar o escoamento. A modelagem matemática e solução numérica foi conduzida utilizando o software Ansys Fluent 22R1 para simular o escoamento multifásico no distribuidor. Para a solução numérica, adotou-se a abordagem multifásica Volume of Fluid (VOF). Diversos parâmetros do software, incluindo modelos de turbulência (SST k-ω e k-ε realizable) e esquemas de acoplamento pressão-velocidade (SIMPLE - Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations, PISO - Pressure-Implicit with Splitting of Operators e COUPLED) foram testados a fim de validar os cálculos numéricos em relação ao modelo físico. Resultados experimentais revelaram que os efeitos térmicos e o nível mínimo de banho influenciam significativamente a curva de concentração do traçador na saída do distribuidor. Em cenários não-isotérmicos, os gradientes de temperatura geram variações no padrão de escoamento, o que afeta a mistura entre diferentes tipos de aço e a localização de volumes mortos dentro do distribuidor. A redução do nível mínimo de banho mostrou-se benéfica na minimização da contaminação do aço lingotado durante a troca de panelas. As simulações numéricas corroboraram os resultados experimentais. A comparação entre diferentes parâmetros numéricos do software destacou a importância da escolha adequada desses parâmetros para a precisão e duração das simulações. Conclui-se que a integração das abordagens de modelagem física e matemática proporciona uma compreensão abrangente dos fenômenos enpaginavolvidos na mistura de aços durante a troca de panelas. Os resultados deste estudo contribuem significativamente para a melhoria do processo de lingotamento contínuo, melhorando a eficiência e a qualidade do aço produzido.
Abstract: In the continuous casting process, the tundish performance is important in producing high-quality steel. During ladle exchanges, significant variations in the flow pattern inside the tundish can occur, affecting the temperature distribution and chemical composition of the steel, which can jeopardize the quality of the produced slab. In some cases, the ladle exchange is accompanied by variations in the chemical composition of the steel being cast. This thesis investigated the mixing phenomenon of different steel grades inside a single-strand slab continuous casting tundish during ladle exchanges. The effects of thermal phenomena and minimum bath level on the mixing pattern are evaluated through reduced-scale physical modeling, using water as the working fluid due to its similarity to liquid steel in terms of kinematic viscosity. The dimensionless Froude number was adopted as similarity criteria. Four experimental scenarios were considered, varying thermal conditions (isothermal and non-isothermal) and the minimum bath level of the tundish (high and low). Mathematical modeling and numerical solution was conducted using Ansys Fluent 22R1 software to simulate the multiphase flow in the vessel. The mathematical methodology considers the Volume of Fluid (VOF) multiphase approach. Different software parameters, including turbulence models (SST k-ω and realizable k-ε) and pressure-velocity coupling schemes (SIMPLE - Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations, PISO - Pressure-Implicit with Splitting of Operators, and COUPLED) were tested to validate the numerical calculations with the physical model. Experimental results revealed that thermal effects and the minimum bath level significantly influence the tracer concentration curve at the tundish outlet. In non-isothermal scenarios, temperature gradients generate variations in the flow pattern, which affect the mixing between different types of steel and the location of dead volumes inside the tundish. Reducing the minimum bath level proved to be beneficial in minimizing steel contamination during ladle exchanges. Numerical simulations corroborated the experimental results. The comparison between different numerical parameters of the software highlighted the importance of appropriate parameter selection for simulation accuracy and duration. It is concluded that the integration of physical and mathematical modeling approaches provides a comprehensive understanding of the phenomena involved in steel mixing during ladle exchanges. The results of this study contribute significantly to the optimization of the continuous casting process, improving the efficiency and quality of the produced steel.
Subject: Engenharia mecânica
Aço
Fundição continua
Modelagem física
Modelagem matemática
Simuladores (Computadores digitais)
language: por
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecanica
Rights: Acesso Aberto
metadata.dc.rights.uri: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/pt/
URI: http://hdl.handle.net/1843/77986
Issue Date: 12-Aug-2024
Appears in Collections:Dissertações de Mestrado

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