Chap6_fluxo no molde
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Chap6_fluxo no molde

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Fluxo no molde

No lingotamento de placas é costume se distinguir dois padrões gerais de fluxo: rolo
simples e rolo duplo, como mostrado na figura 1. Estes padrões são, como se mos-
tra, simétricos; a figura em questão ilustra ainda um padrão assimétrico. Em geral, a
SEN é bifurcada (2 portas laterais no sentido da faces estreitas; existem proporções
para porta adicional no fundo) de modo que se admite que o fluxo no interior do mol-
de seja função de parâmetros, tais como:

• Geometria da SEN, incluindo diâmetro interno, forma das portas, ângulo das
portas. No caso de controle de vazão por placas deslizantes (gaveta) a posi-
ção de obturação parcial influencia a distribuição de fluxos no interior da SEN,
causando fluxos assimétricos e, por conseqüência no molde.

• Vazão de aço
• Profundidade de imersão da SEN;
• Geometria da placa

Deve-se distinguir entre ângulo da porta (em geral negativo, dirigido para baixo, em
alguns casos, positivo) e ângulo do jato que sai pelas portas. Normalmente, a Força
de Inércia (dirigida de cima para baixo, no interior da SEN) é suficiente forte para
garantir que, qualquer que seja o ângulo da porta, o jato emergente apresente ângu-
lo negativo. Em função desta constituição, a transição entre a estrutura de rolo sim-
ples até a estrutura de rolo duplo pode ser definida, principalmente, pela profundida-
de de imersão. Com baixas profundidades de imersão não existiria espaço para de-
senvolvimento de rolos superiores.

Figura 1: padrões de fluxo num molde de LC de placas.

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Existem diferenças significativas entre estes padrões, figura 2. Principalmente no
que diz respeito ao fluxo de calor dirigido do aço para a camada de escória; o aporte
característico da estrutura de rolo simples seria maior, garantindo maior taxa de fu-
são de pó e menisco mais quente. O perfil de distribuição de filme líquido ao longo
da largura também é diferente; com rolo duplo forma-se uma entumescência junto à
face estreita, a qual caracteriza o menisco. Esta divisão constitui uma visão simplista
da condição de fluxo no interior do molde. Talvez a principal característica deste seja
o fato do fluxo turbulento, o que significa em transiência, mutação. Existem compro-
vações advindas de modelamentos físicos, confirmadas (emuladas em modelos ma-
temáticos) numericamente e em plantas industriais de tal. A figura 3 exemplifica um
resultado de modelagem matemática. Aqueles resultados obtidos pela equação de
Navier Stokes, escrita em termos de valores médios de velocidade, produz, com es-
perado, um padrão de fluxo de duplo rolo e simétrico. A Simulação Numérica Direta
(SND) reproduz com maiores detalhes a estrutura de turbulência, incluindo seu

Figura 2: camada de escória e nível médio de aço de acordo com padrão de fluxo.

Figura 3: simulação numérica direta VS valores médios em molde de LC.

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aspecto caótico e transiente. Emerge uma estrutura de fluxo assimétrica que evolve
ao longo do tempo.
Esta visão foi primeiramente identificada em experimentos de modelagem física.
Não obstante os cuidados tomados no sentido de assegurar simetria geométrica e
de fluxo, o mesmo se mostra instável. Por exemplo, em uma experiência de mode-
lamento utilizou-se um conjunto de strain-gages, acoplado a uma lâmina defletora
previamente calibrada, para se inferir a velocidade do aço na região do menisco (po-
sição sub-superficial, meia distância SEN/face estreita). Deve notar não os valores
presumíveis de velocidade mas também a flutuação dos mesmos em termo da mé-
dia, vide figura 4 e tabela com valores de desvio padrão.

tabela : valores médios de velocidade medidos em modelo de molde de LC
Vazão 500 L/min 570 L/min

Nível 17,5 cm 22,5 cm 17,5 cm 22,5 cm

 m/s Desv Vazão m/s Desv Vazão m/s Desv Vazão m/s Desv Vazão

Média 0.319 0.106 502 0.317 0.104 500 0.345 0.116 575 0.359 0.103 572
Valores médios para SEN #5, lado de porta #1.

Vazão 500 L/min 570 L/min

Nível 17,5 cm 22,5 cm 17,5 cm 22,5 cm

 M/s Desv Vazão m/s Desv Vazão m/s Desv Vazão m/s Desv Vazão

Média 0.262 0.106 505 0.253 0.093 502 0.319 0.117 573 0.320 0.114 571
Valores médios para SEN #5, lado de porta #2.

O aspecto superficial não é estático, como é comum ser representado e assumido –
por exemplo em simulações numéricas. Ondas de natureza aparentemente cíclica
se mostram na superfície, a estrutura de fluxo muda continuamente. Experiências
complementares ilustram o processo de arraste de parte do filme de escória sobre-
nadante em função dos esforços tangenciais.

Bastante ilustrativos são os trabalhos de Andrzejewski et al. Estes colocaram senso-
res eletromagnéticos junto as faces largas do molde de modo que foram capazes de
medir a velocidade do aço logo abaixo do menisco (sensores superiores) e na saída
da SEN (sensores inferiores). Como resultado adicional a estrutura

Figura 4:valores instantâneos de velocidade sub-superficial no molde de placas

 NÍVEL INFERIOR -- 500 L/min

0
0.2
0.4
0.6
0.8

1
1.2
1.4
1.6

0 5 10 15 20 25
TEMPO (s)

VE
LO

CI
D

A
D

E
(m

/s
)

EXP 1 EXP 2 EXP 3 MÉDIA = 0,353556

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do fluxo no interior do molde. Além da estrutura de rolo simples, rolo duplo (que foi
associada a boas condições de fluxo térmico no menisco, baixo risco de arraste de
inclusões) verificou-se a presença da estrutura denominada “Meniscus Roll”, alem
de outras. A condição de Meniscus Roll é patentemente assimétrica, presumidamen-
te podendo levar a formação de vórtices, arraste de inclusões.

O acompanhamento dedos dados por períodos longos evidencia que, mesmo em
condição macroscopicamente fixas, o padrão de fluxo se altera continuamente e lo-
go uma série de estruturas podem ser notadas, figura 5. Existem períodos típicos de
transição entre uma estrutura a outra; além do mais cada qual persiste por certa ex-
tensão no tempo, figura 6. Entretanto, porção importante é caracterizada por instabi-
lidades, que não permitiram a identificação segura de um dado padrão (desvio pa-
drão significativamente maior do que a média).

Figura 5: distribuição de padrões de fluxo ao longo do tempo

Figura 6: evolução de valores de velocidade ao longo do tempo.

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A distribuição, período relativo a cada estrutura de fluxo, se mostrou função:
• Velocidade de lingotamento;
• Profundidade de imersão;
• Tempo de operação

E nas condições experimentais (não) descritas a estrutura de rolo simples permane-
ce dominante. Note-se que, por exemplo, seria esperado encontrar uma transição de
rolo simples até rolo duplo com aumento da imersão; pelo contrário, os resultados
sugerem aumento do fluxo instável em detrimento do rolo simples e não aumento da
porção de fluxo em rolo duplo. A influencia de outras variáveis, como velocidade de
lingotamento, tempo de uso da SEN( como medida do desgaste ou bloqueio parcial),
vazão de argônio, foi investigada. Também nestes casos se apontou para a predo-
minância de rolo simples, uma fração quase irrisória de rolo duplo, e o aspecto com-
plementar das estruturas instável VS rolo simples, ver figura 7.

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Figura 7: Distribuição de padrões de fluxo em função de alguns parâmetros opera-
cionais.

Em função da natureza intrinsecamente instável do fluxo no interior de moldes de
placa, alguns sugerem arranjos, controladores eletromagnéticos de fluxo. O argu-
mento é que o padrão de fluxo ideal seria o de duplo rolo. Outras estruturas levariam
a defeitos diversos, vide tabela, e deveriam então ser corrigidos pela aplicação de:

EMLS (Electro Magnetic Slow Down), sistema de frenagem
EMLA (Electro Magnetic Accelerator), sistema de aceleração
EMRS(Electro Magnetic Rotater), sistema de rotação

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Padrão de fluxo Pontos negativos associados Exemplo de defeitos induzidos
Solução

Duplo rolo hiperativo

Altura excessiva de onda