Estudo numérico do escoamento e do comportamento de inclusões não-metálicas em distribuidores de lingotamento contínuo de aço

Abstract

A presente dissertação tem por objetivo apresentar um estudo numérico comparativo do escoamento e do comportamento de inclusões não-metálicas em distribuidores de lingotamento contínuo de aço. Para isso, reproduzem-se, numericamente, dois modelos físicos de distribuidores extraídos da literatura, que são empregados em duas etapas: (1) estudo de parâmetros de simulação (esquemas de advecção-difusão, modelos de turbulência, dispersão da turbulência); (2) estudo de metodologias numéricas empregadas para análise de escoamento e grau de limpeza do aço (métodos para obtenção de curvas de distribuição de tempos de residência, simulação de inclusões não-metálicas, e a comparação das mesmas). O processamento numérico das simulações foi realizado em um código comercial que emprega a dinâmica dos fluidos computacional. Através da comparação entre os resultados numéricos e os dados da literatura foi possível determinar o melhor ajuste para cada grupo de casos estudados. Com respeito às conclusões alcançadas pela etapa (2) do trabalho, em um momento inicial, compararam-se os métodos numéricos utilizados para obter curvas de distribuição de tempos de residência. Em geral, a nova metodologia numérica desenvolvida e a tradicional apresentaram comportamentos semelhantes; porém, evidenciou-se uma grande diminuição no tempo de processamento com o emprego da nova metodologia. Em um segundo momento, analisou-se a influência das características de escoamento sobre as trajetórias de partículas que simularam as inclusões não-metálicas. Verificou-se que as trajetórias das partículas foram diretamente relacionadas com a direção e as magnitudes dos perfis de velocidade. De acordo com cada caso, alcançaram-se diferentes frações de remoção de partículas em função das características dos modificadores de escoamento. Por fim, observou-se que os valores de tempo mínimo de residência, e também, a relação entre volume pistonado e volume morto, foram diretamente relacionados com as frações de partículas removidas.

The aim of this work is to present a numerical comparative study of the flow and behaviour non-metallic inclusions in steel tundishes. To reproduce numerically two physical models of tundishes based on the literature those are used in two steps: (1) study of simulation parameters (advection-diffusion schemes, turbulence models, turbulent dispersion); (2) study of numerical methodologies used to analyze the flow and degree of steel cleanliness (methods to obtain residence time distribution curves, simulation of non-metallic inclusions, and their comparison). The numerical process of simulations was made in a computational fluid dynamics commercial code. Trough the comparison of among the numerical results and the literature data it was possible to determine the best fit for each cases group. As far as the conclusions obtained in step (2) of the work, in the beginning moment, the methods to obtain residence time distribution curves are compared. In general the new numerical methodology developed and the traditional one showed it similar behaviour; but it was noted large reduction in processing time with the use of the new method. In a second moment it was analyzed the influence of flow characteristics on the particles tracking that simulated the non-metallic inclusions. It was observed the particle tracking are directly related with the direction and magnitude of velocity profiles. According to each case there were obtained different particle removal fractions on a count of the flow modifiers characteristics. Finally it was observed that values of the minimum residence time and the relation between plug and dead volume were directly related with the particle removal fractions.