Estudo do comportamento da contaminação dos aços em distribuidores de lingotamento contínuo por meio de modelos dinâmicos
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Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Tese de doutorado
Título alternativo
Primeiro orientador
Membros da banca
Leandro Rocha Lemos
Wagner Viana Bielefeldt
Ismael Vemdrame Flores
Felipe Fardin Grillo
Wagner Viana Bielefeldt
Ismael Vemdrame Flores
Felipe Fardin Grillo
Resumo
O distribuidor de lingotamento contínuo tem um papel fundamental na qualidade dos aços. Além de remover parte das inclusões não metálicas provenientes do refino secundário, o distribuidor deve prover um caminho livre de contaminações da panela até os moldes. Atualmente, elevados índices de limpidez são obtidos nos tratamentos de panela e, portanto, o estudo dos fatores de contaminação no distribuidor obtém maior relevância. Para isto, o uso de modelos dinâmicos desenvolvidos em software de termodinâmica computacional mostra-se adequado, pois possuem provada acurácia em relação a dados industriais. Desta forma, nesta tese foram elaborados modelos dinâmicos para o estudo do comportamento da contaminação dos aços no distribuidor por gases atmosféricos, com foco nos regimes transientes de operação (enchimento e troca de panela). Os modelos foram desenvolvidos com base na metodologia de zona de equilíbrio efetivo de reação (effective equilibrium reaction zone – EERZ), utilizando também rotina acoplada de transferência de calor e mudança de fase. Os padrões de escoamento foram avaliados e modelados a partir de modelos de compartimentos. Além disso, as contaminações referentes ao uso de pó de cobertura rico em SiO2 e aquecimento por meio de tochas a plasma também foram avaliadas. De forma geral, a contaminação no distribuidor possui caráter acumulativo na etapa de enchimento e dissolutivo na etapa de lingotamento. O pó de cobertura rico em SiO2 promove perene contaminação do aço, sendo que a camada sofre considerável modificação química, sendo enriquecida com outros óxidos como Al2O3 e MnO. A porosidade da camada de pó tem grande influência na troca de calor do banho e do nível de contaminação ao final da primeira corrida de um sequencial. O uso do aquecimento provoca severa contaminação ao final da corrida, podendo atingir níveis mais elevados do que no enchimento. Análises da influência dos parâmetros operacionais e diferentes níveis de inertização de partida elucidam as tendências de incorporação dos gases e podem servir como referência para mitigação da contaminação em períodos transientes. Em aços acalmados ao alumínio e tratados ao cálcio, as inclusões não metálicas da panela sofrem severa modificação de composição química mesmo com um baixo nível de reoxidação do banho, retornando à composição original apenas após longo período de lingotamento.
Abstract
The continuous casting tundish has a fundamental role in the quality of the steel. In addition
to removing part of the non-metallic inclusions from secondary refining, the tundish has the
aim to ensure a contamination-free path from the ladle to the molds. Nowadays, in which high
levels of steel cleanliness are obtained in ladle treatments, the study of contamination factors
in the tundish gains more relevance. For this purpose, the use of dynamic models developed
in the software of computational thermodynamics is adequate, because they have proven
accuracy when compared to the industrial data. Therefore, in this thesis, dynamic models
were elaborated for the study of steel contamination in the tundish by atmospheric gases, with
a focus on the transient periods of operation (filling and ladle change). The models were
developed based on of the effective equilibrium reaction zone, using also coupled heat
transfer and phase change routines. The flow patterns were evaluated and modeled from
compartment models. Furthermore, the contaminations concerning the use of SiO2-rich cover
powder and the practice of plasma heating were also addressed. In general, the contamination
in the tundish has a cumulative trend in the filling stage and a dissolution trend in the casting
stage. The SiO2-rich cover powder promotes the continuous contamination of the steel, and
the layer undergoes considerable chemical deterioration, being enriched with other oxides
such as Al2O3 and MnO. The porosity of the cover powder layer has a great influence on the
heat loss of the metallic bath and the contamination level by the end of the first heat of a
casting sequential. The use of plasma heating practice also boosts a soaring contamination
level by the end of the first heat, in which may achieve higher levels than those of the filling
stage. Analyses of the influence of operation parameters and different levels of start-up
inertization show the incorporation trends of gases and can serve as a reference to mitigating
the contamination in transient periods of operation. For calcium-treated aluminum-killed
steels, the non-metallic inclusions from the ladle undergo severe modification of chemical
composition even with low levels of steel reoxidation, only returning to the original
composition after a long period of casting.
Assunto
Engenharia metalúrgica, Metalurgia extrativa, Aço - Metalurgia, Fundição continua, Modelagem, Termodinâmica computacional
Palavras-chave
Contaminação dos aços, Distribuidores de lingotamento contínuo, Modelos dinâmicos, Termodinâmica computacional