BRPI1002628A2

BRPI1002628A2 - redutor de turbulência para uso em distribuidores de aço de lingotamento contìnuo

Info

Publication number: BRPI1002628A2
Application number: BRPI1002628-2A
Authority: BR
Inventors: Thiago Augusto Avila; Bruno Augusto Batista Ribeiro; Santos Herbert Amarildo Dos
Original assignee: Magnesita Refratarios S A
Priority date: 2010-07-27
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2012-03-27
Also published as: US9511419B2; ES2639421T3; EP2598269B1; US20130221588A1; EP2598269A1; WO2012012853A1

Abstract

REDUTOR DE TURBULêNCIA PARA USO EM DISTRIBUIDORES DE AçO DE LINGOTAMENTO CONTìNUO. A presente invenção refere-se a um redutor de turbulência para uso em distribuidores de aço de lingotamento contínuo durante o vazamento de aço líquido (6) da panela de alimentação para o distribuidor, O redutor de turbulência (1) apresenta paredes laterais (2) dotadas de barreiras (3) distribuídas de modo espaçado e escalonado na altura e no comprimento na totalidade da extensão das paredes (2) ou em parte destas, o redutor apresentando ainda um fundo de impacto (5) dotado de ondulações (4) distribuídas de modo regular e escalonado em sua totalidade ou em parte deste.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "REDUTOR DE TURBULÊNCIA PARA USO EM DISTRIBUIDORES DE AÇO DE LINGOTAMENTO CONTÍNUO"

A presente invenção refere-se a um redutor de turbulência que apresenta uma disposição interna especialmente desenvolvida para amorte- cer o jato de metal líquido durante o seu vazamento de uma panela para o distribuidor em instalações de Iingotamento contínuo, minimizando, assim o fenômeno da turbulência que é prejudicial à qualidade do aço processado.

Descrição do estado da técnica

O processo de Iingotamento contínuo é utilizado por cerca de 90% das grandes siderúrgicas do mundo, tendo em vista seu baixo custo operacional, reduzido gasto de energia e alta produtividade. É de conheci- mento de um versado na técnica que um fluxo turbulento em um distribuidor, gerado pela alta velocidade do metal líquido durante o seu vazamento da panela, pode provocar o arraste de escória e de fragmentos refratários para o molde de fundição, prejudicando a Iimpidez do aço processado. Também é de conhecimento a formação de "splash" ou respingos no início de uma seqüência de lingotamento ou na troca da panela, quando ocorre a forma- ção de uma zona de grande turbulência próxima ao jato de entrada do aço líquido, podendo causar incorporação de oxigênio e nitrogênio ao aço devido ao seu contato com o ar ou mesmo perigo aos operadores, devido à proje- ção de aço.

Uma forma usual encontrada para minimizar estes e outros e- ventuais problemas causados pela turbulência refere-se à utilização reduto- res de turbulência, os quais serão mais ou menos eficientes conforme aten- dam à alguns preceitos teóricos relativos ao escoamento dos fluidos. De um modo geral, os redutores de turbulência se propõe a minimizar a turbulência no escoamento do aço dentro do distribuidor, aumentando com isso o tempo de residência. Servem também para direcionar o escoamento do aço para a superfície livre, favorecendo a captura das inclusões pela escória. Outro ob- jetivo é o de reduzir o "splash" ou respingos no jato de entrada, diminuindo, assim, a turbulência e consequentemente a incorporação de oxigênio e ni- trogênio, além de melhorar a limpidez do aço.

Um solução para este problema é apresentada no documento PI0800035-2 em que é descrito um inibidor de turbulência para distribuido- res de aço em instalações de lingotamento contínuo, onde uma caixa de amortecimento é adaptada no interior do distribuidor de lingotamento contí- nuo, minimizando a turbulência que ocorre durante o vazamento do metal líquido da panela de alimentação. A caixa de amortecimento apresenta uma configuração interna que envolve um relevo ondulado formado por cristas e vales em sua base e nas suas paredes laterais. Essa caixa pode apresentar qualquer formato geométrico desde que seja mantida a sua configuração interna básica. A grande superfície gerada pelas ondulações absorve a e- nergia cinética do líquido que entra na caixa de amortecimento.

Breve descrição da invenção

A turbulência é um processo natural, que ocorre em escoamen- tos industriais. Sua principal característica é a grande variação da pressão, temperatura e velocidade, com o tempo.

Supondo que um escoamento laminar, isto é sem turbulência, tenha uma velocidade média υ0, o escoamento turbulento será caracteriza- do por:

<formula>formula see original document page 3</formula> (i)

em que o termo v'x representa a variação no tempo do valor da velocidade do escoamento, o que significa que a velocidade vx pode sofrer variações grandes ou pequenas, para mais ou para menos em seu valor. Essa cons- tante mudança no valor de uma determinada propriedade é uma caracterís- tica de escoamentos turbulentos.

O objetivo da presente invenção é então reduzir o valor da velo- cidade do escoamento e suas flutuações de forma a propiciar um escoa- mento mais uniforme e com velocidades mais baixas, sendo que para atingir tal objetivo, a presente invenção usa em seu favor as características físicas de processos de escoamento de um fluido (aço líquido) em uma determina- da superfície.

Uma característica usada pela presente invenção é o fato de uma corrente de fluido perder velocidade ao escoar em contato com uma superfície rugosa (por exemplo, a parede refratária do redutor de turbulência da presente invenção). O atrito entre uma superfície e o fluido que escoa reduz a velocidade do mesmo, através da força de arrasto, que impõe resis- tência ao escoamento, sendo que quanto maior a força de arrasto, menor será a velocidade de um escoamento, para um mesmo valor de velocidade analisado.

A força de arrasto é definida por:

<formula>formula see original document page 4</formula> (ii)

onde:

pé a densidade do fluido;

υ2 é a velocidade ao quadrado do fluido

Cd é a constante que mede o coeficiente de atrito.

A é a área de contato entre o sólido e o fluido.

Refazendo a equação (ii) e isolando a velocidade do fluido, temos:

<formula>formula see original document page 4</formula> (iii)

Da equação (iii) vê-se que para se alterar o valor da velocidade o caminho natural é alterar o valor da área por onde passa o escoamento, pois os outros valores são constantes ou difíceis de serem alterados, pois Fd é à força de atrito resultante das propriedades do escoamento; pé a densidade do fluido, ou seja, uma propriedade do aço líquido, que nas con- dições de lingotamento não varia significativamente; e Cd o coeficiente de atrito é uma medida relativa às características geométricas da superfície por onde o fluido passa, que não pode ser mudada durante o processo.

A solução proposta pela presente invenção, como veremos a seguir, apresenta um aumento de 15% a 35% na área superficial da superfí- cie de impacto no fundo do redutor de turbulência. Nas superfícies laterais do redutor o aumento na área superficial vai de 20% a 50%. Esse aumento de área faz com que o denominador da equação (iii) aumente e consequen- temente reduza o valor da velocidade de escoamento. Outra forma de dissipação de energia empregada pela presente invenção, especialmente nas paredes laterais do redutor de turbulência é o choque entre duas correntes de fluido (aço líquido) com sentidos opostos.

O redutor de turbulência da presente invenção apresenta pare- des laterais dotadas de barreiras distribuídas de modo espaçado e escalo- nado na altura e no comprimento na totalidade da extensão das paredes ou em parte destas. O redutor apresentando ainda um fundo de impacto dotado de ondulações distribuídas de modo regular e escalonado. Em ambos os casos, parede lateral com barreiras e fundo de impacto ondulado, ocorre uma aumento considerável da área, com mencionado acima, em relação a uma superfície lisa correspondente.

A presença de fluxo de aço direcionado para fora ou afastado da zona de impacto, como é o caso de válvulas longas inclinadas, pode causar desgastes localizados no revestimento refratário. Esse outro problema do estado da técnica é solucionado pela presente invenção com sua superfície de impacto com ondulações de características difusoras.

Quando os redutores de turbulência do estado da técnica apre- sentam uma superfície de impacto lisa pode ocorrer um caminho preferenci- al do jato de alta velocidade com respectiva redução no tempo de residência mínimo do aço no distribuidor. Com isso ocorre um aumento do valor da e- nergia cinética de turbulência na interface metal-escória. A incorporação de uma superfície de impacto com características difusoras, como a da presen- te invenção, reduz a turbulência e elimina a formação de um caminho prefe- rencial de escoamento (curto-circuito) em função de sua maior área útil.

Uma combinação de um fundo de impacto com relevo ondulado com seu grande poder de absorção de energia cinética e paredes laterais de um inibidor de turbulência com barreiras que promovem o choque de fluídos em sentidos opostos, além do aumento da área de contato, traz uma consi- derável vantagem sobre os objetos já conhecidos do estado da técnica.

O padrão de fluxo apresentado dentro do redutor de turbulência de acordo com a presente invenção é tal que regiões de alta velocidade fi- cam confinadas na região de impacto do jato de aço, resultando em veloci- dades baixas na interface metal/escória. O fluxo do aço é inicialmente as- cendente passando posteriormente a se deslocar paralelo à superfície, facili- tando a absorção de inclusões pela escória.

Descrição resumida dos desenhos

A presente invenção será, a seguir, mais detalhadamente des- crita com base em um exemplo de execução representado nos desenhos.

As figuras mostram:

figura 1 - é um desenho em perspectiva e em corte do objetivo da presente invenção;

figura 2 - é esquema de distribuição das correntes de fluido nas paredes laterais do objeto da presente invenção;

figura 3 - é um desenho em corte do objetivo da presente inven- ção mostrando a alimentação de líquido.

figura 4 - é um desenho em corte mostrando um redutor de tur- bulência com superfície de impacto plana, e

figura 5 - é um esquema mostrando o caminho do líquido na superfície difusora ondulada,

figura 6 - é um desenho em corte do objeto da presente inven- ção mostrando uma alimentação oblíqua de líquido.

Descrição detalhada das figuras

A figura 1 mostra o redutor de turbulência da presente invenção em uma vista em perspectiva com um corte lateral mostrando o fundo de impacto 5 com ondulações 4 e as paredes laterais 2 com barreiras 3, a caixa do redutor sendo fabricada em material refratário. Sua forma deve ser prefe- rencialmente retangular ou quadrada e seu tamanho compatível com o mo- delo do distribuidor em que será adaptado. Outros formatos geométricos como circulares, hexagonais, octogonais, etc., não fogem ao escopo da in- venção, desde que seja possível manter a sua configuração básica interna conforme mostrada na figura 1. Esta configuração refere-se à composição de múltiplas barreiras 3 do mesmo material ou não do que as paredes late- rais 2, e que apresentam em uma modalidade preferida de concretização a secção longitudinal retangular, embora outros tipos de secção possam ser considerados para as barreiras 3. As referidas barreiras 3 são dispostas nas paredes laterais 9 formando uma série de obstáculos pelos quais parte do fluxo de aço líquido 6 obrigatoriamente terá que passar. Elas podem constar de toda a extensão e altura das paredes laterais 2, ou apenas em parte des- tas, e também apresentar variações nos espaçamentos entre si, tais defini- ções se verificando em função das condições de processo ou outras variá- veis.

As fileiras de barreiras 3 garantem o confinamento da turbulên- cia na região de impacto. O uso de duas ou mais fileiras de barreiras 3 ga- rante a permanência desse efeito de confinamento da turbulência durante um tempo maior de operação em casos de longas sequencias de Iingota- mento. A presença das barreiras 3, em função da sua grande área, garante também uma área útil de incidência do jato de aço fundido otimizada, o que é de suma importância em operações válvulas longas inclinadas.

Na figura 1 pode ser visto ainda o fundo de impacto 5 com as ondulações 4. As ditas ondulações 4 podem apresentar amplitudes e formas diversas dependendo das condições de processo. Elas podem se estender por todo o fundo de impacto 5 ou somente por parte deste. Podem ser, por exemplo, de forma esférica, ovoide e/ou em forma de disco ou prato. Devem contudo evitar cantos vivos que possam prejudicar ou reter o fluxo do aço líquido, gerando, assim, um indesejável volume morto.

Como pode ser visto a partir da figura 2 as correntes indicada pelos vetores e v2 colidem entre as barreiras 3 na parede lateral 2 do re- dutor de turbulência 1 da presente invenção. Essa colisão faz com que as velocidades horizontais e em direções opostas tendam a reduzir com bas- tante eficiência o valor resultante final da velocidade que sai para o distribui- dor como corrente v1..

Analisando o fluxo de aço líquido ao longo das paredes 2 do re- dutor de turbulência 1 da presente invenção, a grande corrente de fluido que entra na peça 1 é subdividida em várias pequenas correntes, conforme mos- trado na figura 1. Dessa forma várias pequenas correntes são formadas e começam a colidir com correntes de fluido de sentido contrário, adjacentes, entre as camadas de barreiras existentes nas paredes 2 no redutor 1 da presente invenção. Ocorre, assim, uma perda de velocidade pelo choque de fluxos de direção contrária, aliado ao efeito de perda de velocidade pelo atri- to já mencionado acima.

A figura 3 mostra como a corrente de aço líquido 6 é forçada a percorrer um caminho maior até chegar à parede 2, contornando todas as ondulações 4 até chegar à parede 2, e, como mencionado anteriormente, quanto maior o caminho percorrido pelo aço líquido, mais energia cinética ele dissipa e menor é a turbulência do escoamento para o distribuidor.

A presente invenção apresenta também uma vantagem adicio- nal ao escoamento de aço líquido devido à sua superfície de impacto 5 com ondulações 4 de características difusoras. Essa superfície de impacto 5 com ondulações 4 tem como característica distribuir aleatoriamente o fluxo de aço pelo redutor de turbulência (vide figura 5), independente do ângulo de entrada da corrente 6, conforme ilustração na figura 6. A figura 4 mostra como seria o escoamento se o redutor de turbulência da presente invenção fosse fabricado com uma superfície de impacto 5 plana, ou seja, sem as on- dulações 4. A superfície plana deflete o jato de aço líquido 6, em direção a parede 2 da peça praticamente sem perda de energia cinética. A figura 6 mostra como o redutor de turbulência da presente invenção, com a superfí- cie de impacto 5 com ondulações 4, consegue manter uma distribuição alea- tória de fluxo não importando o ângulo de incidência do jato 6. Isso faz com que o aço líquido seja melhor distribuído dentro da peça, aumentando sua eficiência em reduzir a energia cinética do jato 6 de aço líquido.

De acordo com as figuras mencionadas acima, podemos resu- mir que o jato de aço líquido 6 proveniente da panela de fundição é vazado superiormente na caixa do redutor de turbulência 1 que se encontra devi- damente adaptado no interior do distribuidor. A caixa do redutor de turbulên- cia 1, recebe em seu fundo de impacto 5 o impacto provocado pela intensi- dade do fluxo de aço 6 que varia em função do volume de aço líquido conti- do na panela. Neste processo, o nível de turbulência gerado durante o va- zamento será proporcional à energia cinética contida no fluxo de aço 6. A absorção de parte desta energia e conseqüente redução da turbulência pelo redutor de turbulência 1 da presente invenção ocorre devido ao fato de que o fluxo de aço 6, após atingir o fundo de impacto 5 com as ondulações 4 de características difusoras, tem seu fluxo distribuído uniformemente com redu- ção de energia cinética em função da grande área e conseqüente alto atrito, indo posteriormente ao encontro das paredes laterais 2. Nas paredes late- rais parte deste fluxo 6 é forçado a passar pelos obstáculos formados pelas barreiras 3, reduzindo sua velocidade de movimentação dentro do recipiente em função do choque de fluxos parciais de direção contrária e do atrito da parede. As barreiras 3 geram também uma grande área útil de contato com respectivo alto atrito e absorção de energia cinética. Como resultado, o fluxo do aço líquido 6 para o distribuidor e, posteriormente, para o bocal de saída do molde de fundição, ocorre com um fluxo suavizado laminar, evitando as- sim os problemas descritos inicialmente de inclusões de oxigênio e nitrogê- nio, arraste de escória e de refratários prejudicando a Iimpidez do aço.

Tendo sido descrito um exemplo de concretização preferido, de- ve ser entendido que o escopo da presente invenção abrange outras possí- veis variações, sendo limitado tão somente pelo teor das reivindicações a- pensas, aí incluídos os possíveis equivalentes.

Claims

1. Redutor de turbulência para uso em distribuidores de aço de lingotamento contínuo durante o vazamento de aço líquido (6) da panela de alimentação para o distribuidor, caracterizado pelo fato do redutor de turbu- lência (1) apresentar paredes laterais (2) dotadas de barreiras (3) distribuí- das de modo espaçado e escalonado na altura e no comprimento na totali- dade da extensão das paredes (2) ou em parte destas, o redutor apresen- tando ainda um fundo de impacto (5) dotado de ondulações (4) distribuídas de modo regular e escalonado em sua totalidade ou em parte deste.

2. Redutor de turbulência de acordo com a reivindicação 1, ca- racterizado pelo fato de que o redutor de turbulência (1) é fabricado de ma- terial refratário.

3. Redutor de turbulência de acordo a reivindicação 1, caracteri- zado pelo fato de que as barreiras (3) podem ser feitas do mesmo material refratário do redutor (1) e apresentam uma seção transversal preferencial- mente retangular.

4. Redutor de turbulência de acordo coma reivindicação 1, ca- racterizado pelo fato de que as barreiras (3) estão dispostas em pelo menos duas fileiras dentro do redutor (1).

5. Redutor de turbulência de acordo com a reivindicação 1, ca- racterizado pelo fato de que as ondulações (4) tem forma esférica, ovoide, de disco ou de prato, sem cantos vivos.