Otimização da Fundição Contínua com Resfriamento por Névoa de Ar: Eficiência e Qualidade

Resfriamento por Névoa de Ar na Fundição Contínua

Uma máquina de fundição contínua (CCM - Continuous Casting Machine) é requerida para fundir eficientemente uma ampla gama de graus de aço no ambiente atual. Essa gama varia de graus de ultra baixo carbono e baixo carbono a alto carbono, baixa liga e graus de tubulação de alta qualidade. A produção consistente de qualidade premium desses produtos necessita de maior flexibilidade operacional e de manutenção da CCM para que os parâmetros ideais de fundição possam ser mantidos na CCM para cada grau de aço. Essa flexibilidade estende-se não apenas aos elementos da máquina e sistemas de controle, mas também à zona de resfriamento secundário da máquina (Figura 1) e exige resfriamento por spray mais eficiente e confiável na zona. Portanto, a zona de resfriamento secundário também se tornou área de foco no ambiente atual devido à demanda por melhor qualidade do produto e aumento da produtividade da CCM. As CCMs agora precisam de sistema muito eficiente para resfriamento por spray na zona de resfriamento secundário.

Figura 1 Diagrama esquemático da zona de resfriamento secundário da CCM

O resfriamento por água desempenha papel importante na extração de calor do aço líquido solidificante tanto no molde quanto após o aço fundido sair do molde durante a fundição contínua do aço. É caracterizado por fenômenos complexos de ebulição. As taxas de extração de calor durante o resfriamento por água, que têm forte dependência da temperatura da superfície do metal, podem mudar rapidamente com o tempo à medida que o fio esfria. Portanto, resfriamento não controlado pode causar flutuações nos gradientes de temperatura dentro da casca solidificante de aço e gerar tensões térmicas de tração na frente de solidificação, que podem finalmente levar ao aparecimento de trincas a quente/rasgaduras no produto final. A visão esquemática do resfriamento secundário e a relação entre fluxo de calor e temperatura da superfície do aço são mostradas na Figura 2.

Figura 2 Visão esquemática do resfriamento secundário e relação entre fluxo de calor e temperatura da superfície do aço

O resfriamento por spray é a única parte controlável do processo de resfriamento secundário e, portanto, é o fator principal na determinação da qualidade do produto e da produtividade do processo de fundição contínua. O sistema de resfriamento por spray usa bicos para pulverização de água. O principal objetivo dos bicos é o resfriamento da superfície do fio. O arranjo dos bicos de spray e os parâmetros de processo determinam as características do resfriamento por spray de água. O arranjo dos bicos de spray define a área da superfície do fio onde o resfriamento por spray ocorre, enquanto os parâmetros de processo, como pressão de operação e vazões, determinam a intensidade e distribuição do resfriamento na superfície do fio. A extração de calor da superfície do fio, que define o resfriamento e o processo de solidificação, é resultado tanto do arranjo dos bicos quanto dos parâmetros de processo.

O principal critério para seleção do bico de spray é o coeficiente de transferência de calor, que é determinado pelo padrão de spray, distribuição do líquido (densidade) e volume. Os potenciais de otimização no arranjo dos bicos incluem: (i) alinhamento dos bicos; (ii) design do cabeçote e tubos de segmento; e (iii) otimização da distribuição do líquido. Para otimização de parâmetros de processo, os potenciais estão na escolha de: (i) tipo de atomização (névoa de ar ou apenas água); (ii) cinética do spray; (iii) potencial do spray; e (iv) a eficiência de resfriamento correlacionada, que é medida pelo coeficiente de transferência de calor.

Princípio do Resfriamento por Névoa de Ar

A necessidade de ter qualidade saudável do produto de aço fundido e aumento da produtividade da máquina de fundição contínua focou a atenção na necessidade de sistemas mais eficientes de resfriamento secundário durante a fundição contínua de aço líquido. O resfriamento por névoa de ar na zona de resfriamento secundário de uma CCM é um passo nessa direção. Bicos de névoa de ar utilizam ar comprimido em combinação com pressão de água para atomizar a água de resfriamento secundário. Isso proporciona uma razão de controle/turn down muito mais ampla, necessária caso o mix de produtos cubra uma ampla gama de graus de aço. Bicos de névoa de ar também oferecem passagem livre interna muito maior comparada a bicos de fluido único da mesma vazão.

Princípio de Funcionamento

O resfriamento por névoa de ar funciona forçando água através de bicos de névoa especialmente projetados. Isso cria uma névoa (nevoeiro) de gotículas de água ultrafinas com tamanho médio de 25 micrômetros (0,025 mm) ou menos. Com resfriamento por névoa de alta pressão, pode-se obter tamanho de gotícula ainda menor, de até 5 micrômetros (0,005 mm). Isso cria uma área de superfície maior que um grande campo a partir de apenas um litro de água. A maior área de superfície ajuda a água a evaporar muito rapidamente. Essas minúsculas gotículas de água (névoa) absorvem rapidamente a energia (calor) presente no ambiente e evaporam, tornando-se vapor de água (gás). A energia (calor) usada para mudar a água em vapor de água é eliminada do ambiente, resfriando-o assim.

A umidade relativa do ar no ambiente desempenha papel importante no resfriamento por névoa de ar. É a quantidade de umidade (água) no ar comparada à quantidade de umidade que o ar pode absorver na mesma temperatura. Este é fator crucial na determinação do potencial máximo de resfriamento por névoa de ar. Quanto menor a umidade relativa, mais água pode ser vaporizada, permitindo mais calor a ser removido. No caso de resfriamento por spray de água, quando água é pulverizada sobre a superfície do aço acima de uma temperatura particular, produz uma fina camada de vapor entre a superfície do aço e a água. Essa condição é frequentemente referida como "ebulição em filme" (Figura 2). Estudos que usaram bicos de spray hidráulicos sugerem que o coeficiente de transferência de calor é amplamente dependente do fluxo de massa de água gerado pelo bico de spray. No entanto, a adição de ar ao spray de água cria uma situação complexa. O ar causa a atomização da água, o que auxilia no resfriamento de uma superfície de aço.

O termo fenômeno de Leidenfrost é dado ao corpo de fenômenos observados quando uma pequena quantidade de líquido é colocada ou derramada em uma superfície muito quente. É nomeado em homenagem ao médico alemão J. G. Leidenfrost. O fenômeno de Leidenfrost é um fenômeno no qual um líquido, em contato próximo com uma massa significativamente mais quente que o ponto de ebulição do líquido, produz uma camada isolante de vapor que mantém o líquido de ferver rapidamente. O ponto de Leidenfrost significa o início da ebulição em filme estável. Representa o ponto na curva de ebulição onde o fluxo de calor está no mínimo e a superfície está completamente coberta por um cobertor de vapor. A transferência de calor da superfície para o líquido ocorre por condução e radiação através do vapor.

Uma densidade específica de água mais alta não é o único fator decisivo para o coeficiente de transferência de calor. A razão ar/água também deve ser considerada, com o ar comprimido fornecendo a energia cinética necessária para penetração através da camada de vapor acima da superfície do fio. Isso é importante além de 650 °C devido ao fenômeno de Leidenfrost. Além disso, o ângulo de spray do bico e a altura do spray desempenham papéis importantes. Ambos determinam as pegadas do spray (largura e profundidade do spray) e são, portanto, fatores que influenciam a densidade do jato de água (fluxo de água) e o impacto do jato. Além dessas duas variáveis, a razão entre o volume de ar comprimido e o fluxo de água deve ser considerada como outro fator no processo de resfriamento secundário. O resfriamento por spray no fio envolve ebulição e formação de camada de vapor na superfície do aço. O ar comprimido fornece a energia cinética necessária para a penetração das gotículas através da camada de vapor.

Bico de Névoa de Ar

A abordagem inicial para o sistema de resfriamento secundário para CCMs baseava-se na utilização de bicos de spray de fluido único. A tecnologia de bicos passou por melhorias desde então, embora várias máquinas ainda estejam operando apenas em sistemas de resfriamento baseados em água e alcançando alta produtividade e alta qualidade do produto. No entanto, no ambiente atual, as CCMs precisam de alta flexibilidade em termos de graus de aço e variação de tamanho de seção e isso exige alta flexibilidade no sistema de resfriamento secundário e, portanto, as CCMs devem ser equipadas com bicos de névoa de ar.

As características essenciais dos bicos de névoa de ar modernos são a câmara de mistura, tubo de extensão, adaptadores de entrada de água e ar e suas geometrias internas e geometria da ponta do bico. Esses componentes devem ser projetados com precisão para garantir coeficiente de transferência de calor muito alto, ângulos de spray estáveis e distribuição uniforme de água. Os bicos de névoa de ar têm características anti-entupimento e não há peças de desgaste na câmara de mistura de ar e água. A largura do spray desses bicos é estável dentro de uma ampla faixa de pressão de água. Assim, esses bicos têm características de spray constantes e uniformes.

O bico de névoa de ar deve atender aos requisitos de: (i) atomização da água de resfriamento em névoa fina para resfriamento uniforme do aço; (ii) descarga de ângulo largo do fluxo de névoa para reduzir o número de bicos instalados; (iii) aumento do tamanho da saída do bico para reduzir entupimento do bico e aumentar a faixa de volume de água descarregada; e (iv) o tamanho do bico deve facilitar sua instalação entre os rolos. Os fatores importantes no resfriamento por névoa de ar que contribuem para condições eficazes de transferência de calor são: (i) densidade de fluxo do spray de névoa de ar; e (ii) velocidade do spray.

É desejável ter bicos de névoa de ar com ampla razão de turn down para manter os tipos de bicos instalados em uma CCM em número mínimo. Isso ajuda tanto na manutenção quanto em manter o estoque de bicos em níveis baixos.

Como bicos de névoa de ar operam com ar comprimido além de água, as seções transversais livres necessárias para fornecer a mesma vazão de água são aumentadas comparadas a bicos de fluido único. As seções transversais livres aumentadas são menos propensas a entupimento interno do bico geralmente causado por má qualidade da água de spray e, como tal, mostram vida útil aumentada do bico e carga de trabalho de manutenção reduzida. A Figura 3 e a Tabela 1 comparam bico de fluido único com bico de névoa de ar.

Figura 3 Comparação de bico de fluido único e bico de névoa de ar

Tabela 1 Comparação do resfriamento por névoa de ar com resfriamento de fluido único
Nº	Resfriamento por névoa de ar	Resfriamento de fluido único
1	Razão de turn down de fluxo de água máxima 30:1	Razão de turn down de fluxo de água máxima 3,7:1
2	Grandes seções transversais	Pequenas seções transversais
3	Tendência mínima de entupimento	Maior tendência de entupimento
4	Ângulo de spray constante	Ângulo de spray principal varia com pressão
5	Distribuição uniforme de líquido	Distribuição desigual de líquido
6	Maiores capacidades de extração de calor	Capacidades limitadas de extração de calor
7	Permite ampla faixa de velocidade de fundição para condições ideais de solidificação	Permite faixa limitada de velocidade de fundição para condições ideais de solidificação
8	Permite ampla gama de graus de aço a serem fundidos na CCM	Restringe a gama de graus de aço a serem fundidos na CCM
9	Necessita menor fluxo de água	Necessita maior fluxo de água
10	Custo de instalação mais alto	Custo de instalação mais baixo

No sistema de resfriamento secundário de CCMs, é necessário que os bicos forneçam distribuição uniforme de água através da superfície do fio e sobre toda a razão de turn down. Tolerâncias de +/- 15% do valor médio podem ser alcançadas com arranjo multi-bico em pressões de água variando entre 1 kg/cm² e 7 kg/cm². As distribuições de spray uniformes fornecidas pelos bicos de névoa de ar tanto na razão de turn down mínima quanto máxima são mostradas na Figura 4.

Figura 4 Desempenho de distribuição de spray de bico de névoa de ar

A principal vantagem do bico de névoa de ar sobre o bico de fluido único é a razão de turn down de água aumentada. A razão de turn down de água é calculada a partir da vazão na pressão máxima de operação de água (tipicamente 7 kg/cm²) dividida pela vazão na pressão mínima de operação (tipicamente 0,5 kg/cm² para bicos de névoa de ar e 1 kg/cm² para bicos de fluido único). Os bicos mostram distribuição de spray de água estável dentro dessas faixas de pressão de operação. Razões típicas de turn down de água para bicos de névoa de ar variam na faixa de 10:1 a 30:1, enquanto as de bicos de fluido único variam tipicamente na faixa de 2,6:1 a 3,7:1. A razão de turn down aumentada proporciona maior flexibilidade em termos de variação de transferência de calor. Isso é ilustrado na Figura 5.

Figura 5 Comparação das razões de turn down e coeficiente de transferência de calor de bicos de fluido único e névoa de ar

Bicos de Névoa de Ar para Fundição de Lingotes e Blumes

Quando o resfriamento por névoa de ar se torna para uma CCM de lingotes ou blumes, o bico de jato plano geralmente não é a melhor escolha. Isso é especialmente quando "trincas a meio caminho" são experimentadas. Trincas a meio caminho são formadas devido ao reaquecimento da superfície do fio após ter passado a zona de extração de calor aguda sob um jato de spray. Durante este processo de reaquecimento, a superfície expande e impõe uma tensão de tração no material interno mais quente e fraco, que pode então trincar. O uso de bicos de jato plano intensifica este efeito.

Bicos de cone cheio ou bicos ovais fornecem resfriamento mais suave, extraindo calor sobre uma área de superfície estendida. Esses dois padrões de spray são o padrão para sistemas de resfriamento secundário de água de fluido único; no entanto, não houve uma versão adequada usando névoa de ar. Bicos de névoa de ar de cone cheio comuns mostram desempenho de spray instável, consumos de ar muito altos, e tendência a entupir muito facilmente. Bicos de névoa de ar de cone oval com orifícios multi-fenda. Padrões de spray não uniformes e as fendas muito estreitas e fáceis de entupir, tornaram esses bicos pouco mais que um compromisso.

Com o desenvolvimento de uma nova geração de bicos de névoa de ar de cone cheio e oval, agora é possível usar efetivamente o resfriamento por névoa de ar em CCMs de lingotes e blumes. O design de bloco compacto permite montagem tanto em barras de spray horizontais quanto em cabeçotes de bico verticais "banana". Um bico de névoa de ar de cone cheio típico é mostrado na Figura 6.

Figura 6 Bico típico de névoa de ar de cone cheio

Com esses bicos, razões de turn down de 1:14 foram alcançadas em faixa de pressão de água de 1 kg/cm² e 10 kg/cm² a 2 kg/cm² pressão de ar constante. Ângulos de spray nominais para bico de cone cheio circular variam de 0 graus a 90 graus. Passagens livres com 2 mm de diâmetro são cerca de 3 vezes maiores que antes para um tamanho de bico com vazões variando de 0,5 litros por minuto (l/min) a 1 kg/cm² pressão de água e 5 l/min a 7 kg/cm² pressão de água a 2 kg/cm² pressão de ar constante.

A Tabela 2 dá comparação do desempenho do resfriamento por névoa de ar e resfriamento por spray em algumas usinas siderúrgicas japonesas.

Tabela 2 Comparação do resfriamento por névoa de ar e resfriamento por spray em algumas usinas japonesas
Nº	Usina siderúrgica	Entupimento		Manutenção
		Névoa de ar	Spray	Névoa de ar	Spray
1	Usina A	0,89% em 15 dias*	Variando de 1,5% a 19,8% em 15 dias	Limpeza de bicos entupidos em 15 dias*	Limpeza de bicos entupidos em 15 dias
2	Usina B	Pequeno	Cerca de 20% em 5 meses	Sem entupimento	Troca de bico entupido em 3 a 12 meses
3	Usina C	Pequeno	Uso de barra móvel	Troca de 15 bicos em 2 meses	Uso de barras móveis
4	Usina D	Pequeno	Cerca de 20% em 4 meses	Verificação em 15 dias	Verificação a cada vazamento
	* Bico de injeção de ar

Os benefícios do resfriamento por névoa de ar em uma máquina de fundição contínua são: (i) redução da incidência de trincas superficiais, de canto e segregação central devido à melhoria na distribuição do líquido e redução no fluxo de água de resfriamento; (ii) aumento nas velocidades de fundição e capacidade de produção; (iii) melhoria das condições operacionais da CCM para um mix de produtos ampliado devido à razão de turn down mais ampla e otimização da razão ar/água; (iv) redução significativa de custos de manutenção e tubulação devido à montagem simples e rígida dos bicos e tubulação de spray; e (v) melhoria na segurança operacional devido ao alinhamento perfeito dos bicos e tubulação de spray e à redução no entupimento dos bicos.