Automação Avançada e Modelagem no Lingotamento Contínuo de Aço

O processo de lingotamento contínuo de aço líquido é um processo pelo qual o aço líquido é solidificado em um produto semiacabado (tarugo, bloom, blank de viga, redondo ou placa) para laminação subsequente nos laminadores. A operação básica de uma máquina de lingotamento contínuo é converter aço líquido de uma dada composição em um fio de forma e tamanho desejados através de um grupo de operações como zona de resfriamento primário, zona de resfriamento por aspersão e endireitador.

Componentes do Processo de Lingotamento Contínuo

O processo basicamente compreende:

1. Uma panela de distribuição (tundish), localizada acima do molde, que recebe o aço líquido da panela de vazamento e o alimenta ao molde a uma taxa regulada
2. Zona de resfriamento primário consistindo de molde de cobre refrigerado a água através do qual o aço líquido é alimentado do tundish para gerar uma casca solidificada externa suficientemente forte para manter a forma do fio ao passar para a zona de resfriamento secundário
3. Zona de resfriamento secundário associada a uma seção de contenção posicionada abaixo do molde, através da qual o fio de aço (ainda majoritariamente líquido) passa e é aspersado com água ou mistura de água e ar (névoa de ar) para solidificação adicional
4. Seção para desdobramento e endireitamento do fio de aço
5. Seção de corte consistindo de maçaricos de corte ou tesouras mecânicas para corte dos fios solidificados nos comprimentos desejados para remoção
6. Mesa de rolos de saída para leitos de resfriamento ou diretamente para área de transferência de produto

Complexidade e Automação

O processo de lingotamento contínuo é um processo tecnológico complexo que inclui questões relacionadas a transferência de calor, solidificação do aço líquido, fluxo do aço líquido e transições de fase do estado líquido para sólido. Envolve dificuldade considerável na criação do sistema de controle de processo ótimo, que deve incluir a influência de todos os fenômenos físico-químicos que podem ocorrer. Por isso, o controle do processo de lingotamento contínuo é uma das tarefas mais difíceis na siderurgia.

Devido à sua complexidade, o processo é acompanhado por vários fenômenos físicos. A solidificação do aço líquido dentro do molde e após deixá-lo na zona de resfriamento secundário concentra a maioria destes fenômenos importantes.

Zona de Resfriamento Primário (Molde)

Processos parciais: (i) fluxo turbulento do aço líquido através de geometria complexa e bico de imersão submerso (SEN) ou coifa causado por convecção; (ii) transferência de calor na área de aço líquido; (iii) transferência de calor no molde entre casca em formação e parede do molde; (iv) fluxo de calor através da camada de escória sólida e líquida; (v) formação de tensão térmica; (vi) retração da casca solidificante relacionada a transições durante solidificação; (vii) efeito térmico acompanhando fenômeno de solidificação; (viii) impacto mecânico das paredes do molde no fio solidificante; (ix) formação de gap de ar entre parede do molde e fio solidificante; (x) formação de cristais na zona de solidificação acompanhada por efeitos de segregação de elementos.

Zona de Resfriamento Secundário

Formação de defeitos superficiais ocorre aqui. Processos: (i) transferência de calor na área de núcleo líquido (condução e convecção); (ii) condução de calor na camada de casca solidificada; (iii) efeito térmico acompanhando solidificação; (iv) transferência de calor multiestágio resultante do resfriamento do fio pelo sistema de bicos, relacionado ao número de zonas de aspersão e tipo de resfriamento aplicado; (v) retração do fio solidificante; (vi) formação de zonas individuais de solidificação (zona de cristais dendríticos e zona de cristais equiaxiais); (vii) formação de tensão relacionada ao contato dos rolos com o fio e possibilidade de abaulamento entre rolos da máquina.

Drivers para Automação, Instrumentação e Modelagem

Drivers incluem: demandas crescentes de qualidade dos clientes, concorrência acirrada, regulamentações ambientais mais rigorosas, requisitos de segurança aumentados. Além disso, o sistema de produção geral na máquina deve garantir consistência com unidades anteriores e subsequentes. O sistema de automação também deve realizar tarefas essenciais: planejamento e programação de produção, garantia de qualidade, funções de controle supervisório convencionais.

Controle de processo necessita instrumentação elaborada para controle total da solidificação do fio. Sistema de medição fornece muitas informações, mas informações-chave como mudanças na espessura da casca em pontos individuais da máquina e comprimento metalúrgico (comprimento do núcleo líquido) estão ausentes. Por isso, modelos matemáticos são extremamente importantes para o sistema de controle. A precisão destes modelos permite seu uso para decisões tecnológicas durante o processo.

Sistemas de automação e instrumentação junto com modelos matemáticos melhoram e asseguram qualidade dos produtos lingotados continuamente e reduzem tempo de inatividade da máquina. Sistemas especialistas incorporando modelos matemáticos foram desenvolvidos. Novos desafios decorrentes de demandas crescentes de qualidade e novas ideias para enfrentar problemas conhecidos levaram a vários avanços na automação e controle.

Sistemas Modernos de Automação

Usam vários modelos matemáticos para simular diferentes fases do processo. Dados de entrada obtidos em tempo real por adaptador de transporte específico do Nível-1 de automação. Parâmetro alvo especificado pelo programa de produção ou operador. Sistema especialista calcula valores ótimos para parâmetros de processo, controla qualidade de produção, executa modelagem on-the-fly dos diferentes estados do processo tecnológico, verifica configuração de rolos e segmentos. Sistema especialista faz parte da automação Nível-2. Arquitetura de software clara e plataforma middleware estável para transferência de dados são essenciais para interação bem-sucedida entre diferentes sistemas de automação, sistema especialista e operadores.

A IHM (interface homem-máquina) guia operadores pelo processo. Interação do pessoal limitada a atividades relacionadas a qualidade e segurança. Visão geral de informações importantes apresentada no display principal; detalhes acessíveis através de conjunto extenso de telas dedicadas. Telas do operador exibidas no idioma e unidades compreendidos. Sistema compreende conjunto configurável de aplicações; usuário pode selecionar textos predefinidos em vez de digitá-los.

Hierarquia do Sistema de Automação

Nível 0 – Controle de Unidades Individuais

Unidades individuais controladas usando sensores, transdutores, transdutores rotativos, acionamentos, controles e circuitos de controle. Controle manual direto através da unidade, acionamentos e intertravamentos manejados pelo Nível 0. A maioria dos mecanismos de segurança também armazenada neste nível.

Nível 1 – Controle de Grupos de Unidades via CLP

Tarefas incluem sistemas de controle de vários dispositivos dentro de uma área automatizada. Controle realizado por módulos CLP e microcontroladores em tempo real, com tempo de resposta garantido de 20-150 ms (CLP) e 10-20 ms (microcontroladores, ex: controladores de movimento). Devido à limitação estrita de tempo de resposta, modelos complexos de processo não podem ser implementados; tarefas como rastreamento de material e planejamento de cobertura com unidades móveis delegadas a outros níveis.

Funções do Nível 1 para máquina de lingotamento: (i) controle de torre, carro de barra falsa e tundish; (ii) determinação da posição da barra falsa; (iii) ajuste dos rolos de acionamento; (iv) ajuste de largura, taper do molde e controle de nível do molde; (v) regulação de ar e água conforme pontos de ajuste nos sistemas de resfriamento primário e secundário.

Nível 2 – Controle de Processo

Desempenha papel crucial na eficiência e garantia de qualidade. Gerencia e monitora o processo usando instruções e configurações predefinidas pelo engenheiro operacional ou padrões. Cada instrução de lingotamento inclui parâmetros de avaliação de qualidade indicando melhores condições para qualidade alvo. Uso de modelos metalúrgicos permite automação total, minimizando necessidade de intervenção do operador. Modelo de processo conecta todas as faculdades para otimizar desempenho global.

Áreas de responsabilidade: (i) garantia de qualidade de produção; (ii) controle de processo e transmissão de comandos/parâmetros ao Nível 1; (iii) aquisição automatizada de dados de produção; (iv) simulação e previsão da condição do sistema usando modelos matemáticos integrados; (v) rastreamento de material; (vi) otimização de manuseio de material e planejamento de cobertura com equipamentos móveis; (vii) sistema de aviso e indicação de falhas, incluindo avaliação de falha e tempos de ajuste.

Requisitos para processo de lingotamento: (i) coleta e exibição de parâmetros de processo durante lingotamento; (ii) cálculo da distribuição 3D de temperatura no fio, superfície e bordas; (iii) cálculo de crescimento da casca, comprimento de solidificação, retração de borda, carepa e outras características; (iv) posicionamento dinâmico do sistema de resfriamento secundário; (v) ajustes dinâmicos de segmentos (soft reduction); (vi) rastreamento de mudanças de material e posição de solidificação; (vii) aceitação e encaminhamento de intervenções do operador.

Programas e modelos normalmente incluídos no Nível 2: (i) controle de fluxo de aço líquido com mecanismo de stopper; (ii) controle de nível do molde; (iii) controle de nível de pó de molde; (iv) início automático do lingotamento; (v) sistema de prevenção de breakout no molde; (vi) agitação de molde, fio e final; (vii) oscilação hidráulica do molde; (viii) modelo de rastreamento de heat; (ix) avaliação de qualidade em tempo real; (x) modelo de otimização de corte; (xi) modelo de solidificação do fio em tempo real; (xii) calculadora de curvas de solidificação on-line/off-line; (xiii) soft reduction mecânica dinâmica; (xiv) controle dinâmico de resfriamento secundário; (xv) máquina de marcação de produto; (xvi) sistema de reconhecimento óptico de produto; (xvii) análise e simulação de processo; (xviii) gerenciamento de dados metalúrgicos; (xix) detecção de atrasos de produção; (xx) rastreamento de vida de equipamentos; (xxi) logística de manuseio de produto, incluindo resfriamento terciário.

Nível 3 – Planejamento de Produção

Geração de planos de produção: programa de lingotamento, escalonamento de trabalho e preparações, gestão de estoque, planejamento de manutenção, tempos de parada e tarefas de manutenção.

Arquitetura de Software do Sistema de Automação Nível 2 Distribuído

Requisito importante: comunicação estável e segura dos modelos matemáticos integrados com sistema de controle Nível 1, sistema de planejamento Nível 3, bancos de dados conectados e pessoal operacional. Durante projeto e configuração, a variedade de componentes, interfaces e fontes de dados conectadas são importantes; a lógica comportamental de cada componente não deve ser subestimada.

Modelos matemáticos de processo de produção integrados no Nível 2 formam o núcleo do sistema de controle. Monitorando status real do processo, modelos podem ser continuamente supridos com valores reais do Nível 1. Por outro lado, dados também suplementados com resultados de planejamento de curto prazo e dados de material/pedido do Nível 3. Resultados de cálculo e visão geral do processo exibidos na máquina para pessoal operacional em interface de usuário. Intervenções necessárias podem ser realizadas usando tanto máscaras de entrada do Nível 1 (configurações de velocidade) quanto interface do Nível 2 (mudança de regime de controle).

Padrões arquiteturais variados: modelos (arquitetura multi-agente), despachantes de eventos/mensagens (arquitetura orientada a eventos), serviços distribuídos (arquitetura orientada a serviços).

Instrumentação

Instrumentos usados em máquinas de lingotamento desde os primórdios. Usados em todo componente principal entre torre/carro de panela e mesa de rolos de saída. Usados extensivamente para monitorar variáveis na panela, tundish, molde, zona de resfriamento secundário, zona de radiação e mesa de saída.

Instrumentos são cruciais para qualquer sistema de controle/automação; sua contribuição para padrões modernos de produtividade e qualidade não pode ser superestimada. São os "olhos" do sistema; com tecnologia atual, instrumentação permanente disponível para "ver" as variáveis mais importantes de panela, tundish e molde.

Funções principais: (i) medir parâmetros para controle de funções mecânicas e metalúrgicas; (ii) atribuir classificação de qualidade para cada seção lingotada; (iii) diagnosticar problemas operacionais e de máquina; (iv) desenvolver conhecimento correlacionando qualidade/produtividade com projeto/operação da máquina.

Número e sofisticação cresceram rapidamente. Razões: demandas crescentes por produtividade e qualidade do produto "as-cast", disponibilidade de computadores digitais on-line modernos. Particularmente verdadeiro para máquinas de lingotamento de placas, onde demandas são mais rigorosas. Antes, ênfase na instrumentação do molde, pois práticas/parâmetros do molde têm maior impacto. Ultimamente, progresso significativo em instrumentação na panela, tundish, contenção e mesa de saída.

Dado ambiente perigoso na câmara de aspersão da zona de resfriamento secundário, não surpreende que sistema de controle seja frequentemente "cego" para mudanças em variáveis críticas como temperatura de superfície do fio nesta zona. Instrumentação aqui é normalmente temporária, usada base experimental. Outras instrumentações importantes: medição de abaulamento entre rolos, espessura da casca solidificada, atrito molde/fio.

Modelagem do Processo de Lingotamento Contínuo

Modelar o processo é tarefa muito complexa, realizada com vários tipos de modelos matemáticos. Atualmente, não é possível capturar simultaneamente todos os efeitos durante o processo completo e apresentá-los em um único modelo numérico abrangente. A divisão natural na modelagem está relacionada a identificar o problema durante lingotamento real ou focar em seção selecionada para melhorar tecnologia existente.

No estágio inicial, seleção correta do tipo de modelo e possibilidades de adaptação à classe do problema resolvido é desafio difícil. Teoricamente, modelo mais complexo ("inteligente") pode responder questões sobre parâmetros tecnológicos primários. Na prática, limitações: (i) extensão desnecessária do tempo de computação; (ii) verificação de parâmetros do modelo e correlação com dados de processo – quanto mais teórico, mais parâmetros e maior risco de parâmetros não mensuráveis; (iii) estratégia de aquisição de conhecimento dos parâmetros necessários. Experiência mostra que melhor escolha é medição experimental de todos os parâmetros mensuráveis (ex: calor específico do aço como função da temperatura, condutividade térmica, viscosidade).

Modelagem Física

Usando água para simular aço líquido, permite insight considerável no comportamento de fluxo do aço durante lingotamento. Entendimento anterior veio principalmente de experimentos com modelos físicos de água. Técnica útil para testar e entender efeitos de novas configurações antes de implementá-las. Modelo em escala real tem benefício adicional de treinamento de operadores e entendimento.

Construção baseada em satisfazer critérios de semelhança entre modelo e processo real: geometria e balanços de forças que governam fenômenos de interesse. Para reproduzir padrão de fluxo do aço com modelo de água, todas as razões entre forças dominantes devem ser iguais em ambos sistemas. Tamanho de grupo adimensional indica importância relativa de duas forças. Grupos muito pequenos ou muito grandes podem ser ignorados; todos os grupos de tamanho intermediário devem ser correspondidos no modelo físico. Geometria e fluido apropriados devem ser escolhidos.

Felizmente, água e aço têm viscosidades cinemáticas muito semelhantes. Logo, números de Reynolds e Froude podem ser correspondidos simultaneamente construindo modelo de água em escala real. Satisfazer estes dois critérios é suficiente para precisão razoável em sistemas de fluxo monofásico isotérmico, como bico e molde de lingotamento – feito com grande sucesso.

Modelo em escala real permite fácil teste de componentes e treinamento de operadores. Modelo de água de qualquer escala geométrica produz resultados razoáveis para maioria dos sistemas de fluxo, desde que velocidades em ambos sistemas sejam altas o suficiente para produzir fluxo totalmente turbulento e números de Reynolds muito altos. Como fluxo através de bicos de tundish e molde é gravitacional, número de Froude normalmente satisfeito em qualquer modelo de água onde cabeças hidráulicas e geometrias são escaladas pelo mesmo fator.

Modelos físicos às vezes devem satisfazer critérios de semelhança térmica. Em modelos de fluxo de estado estacionário em panelas e tundishes, flutuabilidade térmica é grande relativa ao fluxo inercial dominante, indicado pelo tamanho do número de Froude modificado, que deve ser mantido igual. Em panelas, onde velocidades são difíceis de estimar, conveniente examinar quadrado do número de Reynolds dividido pelo Froude modificado = número de Grashof. Inércia domina no molde, então flutuabilidade térmica pode ser ignorada. Magnitude relativa das forças de flutuabilidade térmica pode ser correspondida em modelo de água quente em escala real – não fácil, pois fenômenos que governam perdas de calor dependem de propriedades como condutividade do fluido, calor específico e condutividade da parede do recipiente, diferentes no modelo e no recipiente de aço. Em outros sistemas (baixas velocidades, transientes ou solidificação), satisfazer simultaneamente vários critérios de semelhança para transferência de calor é virtualmente impossível.

Modelagem Computacional ou Matemática

Atualmente, custos computacionais decrescentes e poder crescente de pacotes comerciais tornaram mais fácil aplicar modelos matemáticos como ferramenta adicional para entender etapas complexas de processos de materiais do lingotamento. Modelos computacionais têm vantagem de fácil extensão a outros fenômenos como transferência de calor, movimento de partículas e fluxo bifásico, difícil com modelos de água isotérmicos. Também capazes de representação mais fiel das condições de fluxo experimentadas pelo aço líquido. Ex: não há necessidade de fundo físico que interfere com fluxo saindo de modelo de fio de água, e presença de casca solidificante móvel pode ser considerada.

Modelos matemáticos agora podem simular a maioria dos fenômenos importantes: (i) movimento de fluido totalmente turbulento, transiente, geometria complexa (bico de entrada e poço líquido do fio), afetado por bolhas de gás argônio, flutuabilidades térmica e solutal; (ii) reações termodinâmicas dentro e entre fases de pó e aço; (iii) fluxo e transporte de calor dentro de camadas de fluxo líquido e sólido flutuando na superfície do aço; (iv) movimento dinâmico de superfícies e interfaces livres, incluindo efeitos de tensão superficial, oscilação e ondas induzidas por gravidade, fluxo em várias fases; (v) transporte de superaquecimento através do aço líquido turbulento; (vi) transporte de soluto (incluindo intermistura durante troca de grau); (vii) transporte de inclusões de geometria complexa através do líquido, incluindo efeitos de flutuabilidade, interações turbulentas, possível aprisionamento em paredes de bico, bolhas de gás, paredes de aço solidificante e superfície superior; (viii) interações térmicas, de fluido e mecânicas na região do menisco entre menisco solidificante, borda de escória sólida, fluxo líquido infiltrante, aço líquido, camadas de pó, partículas de inclusão; (ix) transporte de calor através da casca de aço solidificante, interface casca-molde (contendo camadas de pó e gaps de ar crescentes), e molde de cobre; (x) transporte de massa de pó pelo gap entre casca e molde; (xi) distorção e desgaste de paredes do molde e rolos de suporte; (xii) nucleação de cristais sólidos, tanto no banho quanto contra paredes do molde; (xiii) solidificação da casca, incluindo crescimento de dendritas, grãos e microestruturas, transformações de fase, formação de precipitados, microsegregação; (xiv) retração da casca por contração térmica, transformações de fase e tensões internas; (xv) geração de tensões na casca por forças externas (atrito do molde, abaulamento entre rolos, extração, gravidade); (xvi) deformações térmicas, fluência, plasticidade (variam com temperatura, grau e taxa de resfriamento); (xvii) formação de trincas; (xviii) segregação acoplada, escalas microscópica e macroscópica.

A complexidade estonteante torna impossível modelar todos estes fenômenos juntos. Necessário fazer suposições razoáveis e desacoplar ou negligenciar fenômenos menos importantes. Modelagem quantitativa precisa incorporar todos fenômenos que afetam a questão específica de interesse. Cada modelo precisa de propósito específico. Uma vez escolhidas equações governantes, normalmente discretizadas e resolvidas por métodos de diferenças finitas ou elementos finitos. Importante validação numérica adequada.

Erros numéricos normalmente surgem de domínio computacional muito grosseiro ou convergência incompleta ao resolver equações não-lineares. Resolver problema de teste conhecido e conduzir estudos de refinamento de malha para soluções independentes de grade são formas importantes de validar o modelo. Finalmente, modelo deve ser verificado contra medições experimentais em escalas de laboratório e planta antes de confiar para previsões quantitativas do processo real para estudo paramétrico.

Teste final: se resultados podem ser implementados e melhorias alcançadas, como evitação de defeitos no produto. Ensaios em planta necessários para implementação. Ensaios baseados em insights de todas fontes: modelos físicos, matemáticos, literatura e experiência prévia. À medida que poder computacional avança, modelagem desempenha papel crescente em avanços futuros do lingotamento de alta tecnologia. Modelagem pode aumentar métodos tradicionais de pesquisa na geração e quantificação do entendimento necessário para melhorar qualquer aspecto. Áreas onde modelagem computacional avançada desempenha papel crucial: (i) simulação de fluxo transiente; (ii) comportamento de fluxo de molde; (iii) design de taper; (iv) previsão e controle de qualidade on-line, especialmente para novos problemas/processos como lingotamento de tarugos alta velocidade, lingotamento de placas finas e lingotamento de tiras.

Avanços futuros não virão de modelos, experimentos ou ensaios em planta, mas de ideias geradas por pessoas que entendem o processo e os problemas. Este entendimento está enraizado em conhecimento, que pode ser confirmado, aprofundado e quantificado por ferramentas que incluem modelos computacionais. À medida que ferramentas computacionais melhoram, sua importância aumenta neste papel, levando a avanços futuros.

Objetivo computacional assumido e precisão requerida são chave na seleção do modelo. Em vários casos, informação desejada é conhecimento do comprimento metalúrgico do fio e dinâmica de mudanças na espessura da casca. Caso em que velocidade de lingotamento precisa ser alterada, procedimento para determinar nova intensidade de resfriamento é necessário. Problema como este não precisa responder série de questões sobre tensões no fio, estrutura formada ou defeitos potenciais. Entende-se que modelo é naturalmente simplificado a forma que ainda fornece resposta crível às questões que precisam solução.

Modelos Importantes na Automação e Controle

Modelos normalmente incorporados no Nível 2 de automação.

Controle Dinâmico de Resfriamento Secundário

Existe terceira dimensão no controle dinâmico. Configuração do modelo leva precisão e possibilidades de controle à próxima dimensão, permitindo filosofias completamente novas para resfriamento secundário e soft reduction. Ao configurar sistema, pré-requisito considerar todos parâmetros conhecidos com influência conhecida no cálculo do perfil 3D de temperatura do fio. Todos tipos de bicos medidos no banco de teste para avaliar distribuição de água. Informação derivada inserida no sistema de manutenção e configuração (MSS) do modelo 3D. Distribuição de aspersão visualizada no sistema de manutenção.

Posições exatas dos bicos nas zonas de resfriamento inseridas; distribuição de aspersão de uma zona vista no MSS. Remoção de calor de uma zona calculada considerando remoção por água, rolos e radiação. MSS permite configurar todos ajustes relevantes de resfriamento para que distribuição de água nas zonas e aplicação de práticas sejam otimizadas. Know-how metalúrgico facilmente incorporado na configuração de automação. Sistema de simulação off-line embutido permite teste abrangente de novos parâmetros antes de aplicação na produção.

Sistema Nível 2 para resfriamento secundário fornece modelo matemático para calcular temperaturas na superfície e interior do fio como função do plano de aspersão, pontos de interpolação na curva de temperatura de referência, ou em relação a mudanças temporais nas quantidades de água ao longo de toda a máquina. Sistema pode lidar com três regimes: (i) controle de temperatura; (ii) idade do fio; (iii) controle de plano de aspersão.

No regime de controle de temperatura, sistema calcula volumes de água para resfriamento secundário necessários para manter temperatura de referência especificada na superfície do fio. Regime de idade do fio considera mudança de parâmetros ao longo de período. Com regime de plano de aspersão, plano produzido onde volumes predefinidos correspondem a velocidade de lingotamento específica. À medida que mudança de velocidade entra em vigor, volumes de água também modificados imediatamente, e temperaturas resultantes na superfície exibidas ao operador. Se scanners de temperatura usados, sistema adapta coeficientes do cálculo de campo de temperatura aos valores medidos.

Sistema Dinâmico 3D de Resfriamento Secundário

Solução de primeira geração caracterizada por cálculo 2D de temperatura do centro do fio. Cantos do fio largamente negligenciados. Melhorias contínuas no desempenho computacional agora permitem calcular temperatura em qualquer ponto dentro de todo o fio em tempo real, modo 3D completo e discretização suficientemente fina produzindo perfis de temperatura muito detalhados para superfície e centro.

Baseado em aproximação explícita de volumes finitos que resolve equação de transferência de calor e considera propriedades de material dependentes da temperatura (densidade, posição-específica de espessura e largura do produto). Avalia com precisão transferência de calor da superfície resultante de radiação, transferência para rolos, convecção natural e água de aspersão. Aplicável tanto para resfriamento por aspersão quanto ar-névoa; considera padrão de distribuição dos bicos e temperatura real da água. Garante previsão precisa de transferência de calor por aspersão a temperaturas abaixo de 700 °C quando fenômeno de Leidenfrost desaparece. Resultado: determinação ainda mais precisa do perfil de temperatura superficial do fio e ponto final de solidificação.

Baseado em cálculos precisos, permite especificar temperatura de superfície desejada não apenas ao longo do comprimento, mas também através da largura. Controle individual do fluxo de água e posicionamento de cada bico possível. Algoritmos calculam pontos de ajuste de fluxo para atingir valores alvo de temperatura superficial. Resultados de pirometria mostram excelente ajuste entre perfis laterais calculados e medidos.

Aplicação permite introduzir filosofias completamente novas para configurar práticas de resfriamento para desafios futuros. Combinação com bicos móveis (3D sprays) produz resultados de qualidade sem precedentes.

Modelo avançado 3D dinâmico deriva taxas corretas de fluxo mesmo em situações transitórias: troca de grau, variações de velocidade, diferentes temperaturas de tundish, trocas de tundish, início/fim de sequência. Taxa de fluxo para cada zona calculada para manter perfil de temperatura superficial definido durante toda sequência. Sistema de manutenção permite engenheiro alterar práticas facilmente e introduzir expertise específica. Simulação off-line usada para testar efeito de novos ajustes em várias situações antes de utilização na produção.

Cálculo Dinâmico de Fases das Propriedades do Material

Para calcular perfil 3D de temperatura, propriedades como entalpia, fração sólida, densidade, condutividade como função da temperatura devem ser conhecidas. Se experimentalmente conhecidas para composição do grau, podem ser inseridas pelo engenheiro no MSS – muito demorado. Normalmente engenheiro não conhece estas propriedades termofísicas. Modelo de software calcula todos dados termofísicos usados pelo modelo 3D. Cálculo dinâmico de fases disponível como ferramenta on-line para determinar propriedades para análise do grau atual.

Abordagem tradicional: definir propriedades para grupos de graus com faixa pré-definida de concentração de análise química. Com cálculo dinâmico, dados calculados para cada grau individual. Torna previsão de quantidades como ponto de solidificação completa e distribuição de temperatura durante lingotamento mais precisa, permitindo tratamentos metalúrgicos precisos para melhor qualidade. Modelo indica se análise atual é peritética ou não e alerta operador em caso de grau peritético inesperado. Reduz risco de breakouts e melhora qualidade.

Baseado em modelos termodinâmicos. Transformação líquido-sólido em alta temperatura descrita por modelo de energia livre de Gibbs combinado com modelo de microsegregação. Para transformações sólido-sólido em baixa temperatura, modelo tipo Avrami empregado. Parâmetros livres determinados com quantidades medida experimentalmente. Simulações off-line do cálculo dinâmico junto com modelo 3D permitem desenvolvimento metalúrgico de novos graus.

Tradicionalmente graus agrupados e análise típica do grupo usada para determinar propriedades. Com cálculo dinâmico, propriedades derivadas da análise real do aço. Cálculos mostram diferença no ponto de solidificação final de meio metro ou mais comparando análise real vs grupo. Demonstra importância de cálculo on-line do grau real para melhorar qualidade.

Soft Reduction Dinâmica de Gap

Representa ajuste dinâmico de gap de rolos no processo. Possibilitado por segmentos de guiamento de fio especialmente projetados – "segmentos inteligentes" – nos quais gaps de rolos podem ser ajustados remotamente para mudanças de espessura e melhoria de qualidade interna. Baseado em informações on-line do modelo dinâmico 3D de rastreamento térmico, calcula dinamicamente pontos de ajuste do gap ajustável.

Supervisão do engate dos rolos, dependendo do estado de solidificação (líquido, pastoso, sólido) e perfil de espessura calculado, é fator decisivo para ajustes precisos e melhoria de qualidade. Engate otimizado também reduz forças excessivas no fio e diminui desgaste dos rolos. Controle mais preciso dos gaps permite estratégias adicionais como redução de núcleo líquido e soft reduction por abaulamento intencional. Aumento dinâmico intencional do gap antes da área de soft reduction permite maior redução de espessura nesta área. Melhora flexibilidade e qualidade.

Permite definir livremente cenários para partida, troca de tundish e estratégias de finalização baseados em espessura do fio, grau de aço e status de lingotamento. Evita danos aos rolos e interrupções de produção que podem surgir do comportamento diferente de cabeça ou cauda fria do fio.

Especialista em Bicos para Detecção Precoce de Entupimento

Água de resfriamento aspersada através de bicos no fio para resfriamento uniforme. Se um ou mais bicos entupidos, seção do fio não pode ser resfriada uniformemente à temperatura requerida. Pode levar a defeitos superficiais, produto possivelmente rebaixado. Troca de segmentos também fonte de dificuldade: mangueiras podem romper ou emperrar. Cientes das consequências, pessoal de manutenção gasta muitas horas verificando se bicos operam corretamente.

Especialista em bicos ajuda detectar bicos entupidos e mangueiras quebradas, garantindo resfriamento uniforme para produção de aço de alta qualidade. Monitora automaticamente condição dos bicos durante lingotamento. Pode ser ativado manualmente durante pausas. Vantagem: status verificado após manutenção ou troca de segmentos e reparado imediatamente antes de reiniciar.

Cálculo considera parâmetros como tipo de bico (resultados de medição no banco de teste), altura entre dispositivo de medição de pressão, pressão de água, comprimentos/diâmetros de tubos, posições dos bicos. Modificações no sistema de resfriamento secundário exigem mudança na configuração do especialista para resultados computacionais corretos.

Baseado em modelos estatísticos, indica taxa de entupimento em cada zona (ex: zona 2 bicos 10% entupidos com probabilidade 96%). Operadores inspecionam apenas zonas com alarme. Cálculos iniciam automaticamente com sinal de início de lingotamento; condição monitorada durante todo processo. Vários alarmes detectam vazamentos, bicos entupidos, bicos instalados incorretamente.

Especialista em Inter-mistura (Inter-mix Expert)

Melhora rendimento por simulações prévias. Durante lingotamento em sequência, mistura de graus ocorre no tundish e portanto no fio a cada troca de panela. Baseado na composição química, calcula se zonas de aço misto podem ser usadas para aplicação prevista ou se aço deve ser rebaixado ou sucateado. Informação de experimentos de fluxo no tundish combinada com resultados de análises de amostras de produtos solidificados garante alta precisão das previsões em relação à composição real das zonas mistas.

Determina traços do heat anterior presente no heat atual. Mistura ocorre não apenas no tundish mas também no molde e partes superiores do fio. Mistura nestas áreas avaliada por submodelo tipo "mix-box" que permite calcular composição química em qualquer posição ao longo do fio.

Trocas de tundish ou uso de placas separadoras tratados individualmente. Cálculos realizados ciclicamente para elementos químicos selecionados a partir do "evento panela aberta" de novo heat. Decisão final sobre compatibilidade de heats lingotados em sequência realizada pela função de atribuição de heat. Perfis de concentração de elementos críticos que impactam disposição final do produto (prime, rebaixado, rejeição total) determinados. Desvio detectado se elemento crítico não corresponde à especificação do grau.

Benefício total do modelo inter-mix alcançado combinando saída com modelo especialista em rendimento (yield expert) que assegura máximo rendimento de qualidade prime aplicando otimização de comprimento de corte a áreas de aço incompatíveis designadas como sucata.

Engenheiros trabalham com ambiente de simulação poderoso, permitindo simular qualquer combinação de diferentes graus. Parâmetros como análise, peso do tundish, dimensões do fio facilmente inseridos e modificados; resultados computados visíveis na IHM. Gráficos exibidos para elementos individuais ou combinações. Informações valiosas como concentração volumétrica, comprimento de aço misto, comprimento de sucata, ranges de heat mostrados na base dos gráficos.

Configuração facilmente feita no MSS. Engenheiro escolhe quais elementos químicos usar para determinar inter-mix para qualquer ligação de grau. Ambiente de simulação permite simular comportamento de mistura de dois graus diferentes; concentração volumétrica computada, análise calculada ao longo do fio, ranges de heat incluindo possíveis seções de sucata exibidos.

Especialista em Velocidade (Speed Expert)

Modelo para velocidade de lingotamento ótima em qualquer situação. Seleção de velocidade adequada é de alta importância. Vários aspectos (qualidade, segurança, limites da máquina, requisitos de produção) influenciam escolha. Frequentemente contraditórios: aumento de produção pede velocidade alta; segurança limita velocidade. Normalmente, usinas têm soluções próprias para calcular velocidade considerando diferentes aspectos. Objetivo do speed expert: cobrir maioria dos aspectos e fornecer ferramenta de manutenção fácil para engenheiro ajustar comportamento às necessidades especiais.

Calcula ciclicamente velocidade ótima. Cálculo baseado em várias regras considerando diferentes aspectos, especificadas na prática do speed expert. Cada regra determina faixa de velocidade que satisfaz seus requisitos. Primeiro determina interseção de todas as faixas. Se não vazia, seleciona velocidade conforme estratégia predefinida: velocidade máxima, velocidade alvo, ou evitar mudanças enquanto velocidade atual na faixa válida. Se conflito entre regras (interseção vazia), estratégia de resolução pré-selecionada aplicada: (i) prioridade (regras de menor prioridade negligenciadas até solução); (ii) mínimo de velocidade máxima (menor de todas velocidades máximas selecionada).

Na IHM on-line, operador visualiza faixas de velocidade de todas regras e velocidade ótima derivada. Pode mudar prioridades, estratégia, resolução de conflito para ajustar finamente. Pontos de ajuste de velocidade enviados ao Nível 1 e executados automaticamente.

MSS usado para definir prática do speed expert considerando: (i) regras relacionadas a qualidade (regra especialista em qualidade, velocidade mínima/alvo/máxima para grau, superaquecimento, razão Mn/S, baixo peso de tundish, soft reduction ótimo); (ii) regras relacionadas a produção (pacing de heat, início de lingotamento, limpeza); (iii) regras relacionadas a segurança (proteção da máquina, cálculo de previsão para velocidade mínima/máxima).

Soft reduction ótimo alcançado se ponto final de solidificação estiver no final de segmento. Pré-cálculo assumindo condições de estado estacionário determina velocidades requeridas para cada segmento.

Especialista em Rendimento (Yield Expert)

Objetivo: minimizar sucata e otimizar rendimento. Considera porções de sucata, defeitos de qualidade, restrições de peso, cortes de amostra, mudanças de largura enquanto produz número máximo de produtos programados. Características: (i) otimização de comprimento ou peso do produto no caso de seções de sucata ou defeitos relacionados a qualidade; (ii) programação de ajustes de largura do molde; (iii) algoritmos de alocação de seções de sucata; (iv) etapas de otimização ligadas/desligadas on-line e off-line; (v) replay de etapas de otimização de corte no comprimento, mesmo em situações reais de produção.

Especialista em Qualidade (Quality Expert)

Determina definições necessárias para parâmetros de processo relacionados a qualidade, rastreia dados reais durante produção, prevê qualidade dos produtos lingotados, determina automaticamente disposição subsequente do produto. Apoia operadores por alertas de qualidade on-line e prévia da qualidade dos fios na máquina. Dois tipos: capacidade básica ou abrangente de classificação de qualidade.

Todas informações rastreadas e resultados de cálculo transferidos do módulo de produção do quality expert para "discovery system", dedicado ao arquivamento e avaliação de longo prazo da enorme quantidade de informações rastreadas.