Resfriamento por névoa de ar em lingotamento contínuo

Resfriamento por névoa de ar em fundição contínua

Uma máquina de lingotamento contínuo (CCM) é necessária para fundir eficientemente uma ampla gama de tipos de aço no ambiente atual. Essa faixa varia de graus de carbono ultrabaixo e baixo carbono a alto carbono a baixa liga e graus de tubulação de alta qualidade. A produção consistente e de primeira qualidade desses produtos precisa de maior flexibilidade operacional e de manutenção do CCM para que os parâmetros ideais de fundição possam ser mantidos no CCM para cada tipo de aço. Essa flexibilidade se estende não apenas aos elementos da máquina e sistemas de controle, mas também à zona de resfriamento secundária da máquina (Fig. 1) e exige resfriamento por spray mais eficiente e confiável na zona. Assim, a zona de resfriamento secundária também se tornou uma área de foco no ambiente atual devido à demanda por melhor qualidade do produto e maior produtividade do CCM. Os CCMs agora precisam de um sistema muito eficiente para resfriamento por spray na zona de resfriamento secundário.

Fig 1 Diagrama esquemático da zona de resfriamento secundária do CCM

O resfriamento por água desempenha um papel importante na extração de calor do aço líquido solidificado tanto no molde quanto após o aço fundido deixar o molde durante o lingotamento contínuo do aço. É caracterizada por fenômenos complexos de ebulição. Taxas de extração de calor durante o resfriamento da água, que têm forte dependência da temperatura da superfície do metal e podem mudar rapidamente com o tempo à medida que o cordão esfria. Portanto, o resfriamento descontrolado pode causar flutuações nos gradientes de temperatura dentro da casca solidificada do aço e gerar tensões térmicas de tração na frente de solidificação que podem levar ao aparecimento de rasgos/rachaduras a quente no produto final. A vista esquemática do resfriamento secundário e a relação entre o fluxo de calor e a temperatura da superfície do aço é mostrada na Fig 2.

Fig 2 Vista esquemática do resfriamento secundário e relação 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 principal fator na determinação da qualidade do produto e da produtividade do processo de lingotamento contínuo. O sistema de resfriamento por pulverização utiliza bicos para pulverização de água. O principal objetivo dos bicos é o resfriamento da superfície do cordão. A disposição do bico de pulverização e os parâmetros do processo determinam as características do resfriamento da água de pulverização. A disposição dos bicos de pulverização define a área da superfície do cordão onde ocorre o resfriamento por pulverização, enquanto os parâmetros do processo, como a pressão de operação e as taxas de fluxo, determinam a intensidade de resfriamento e a distribuição na superfície do cordão. A extração de calor da superfície do cordão que define o processo de resfriamento e solidificação é resultado tanto do arranjo do bocal quanto dos parâmetros do processo.

O critério principal para a seleção do bico de pulverização é o coeficiente de transferência de calor que é determinado pelo padrão de pulverização, distribuição do líquido (densidade) e volume. Os potenciais de otimização na disposição do bocal incluem (i) alinhamento do bocal, (ii) projeto do tubo coletor e segmento e (iii) otimização da distribuição de líquido. Para a otimização dos parâmetros do processo, os potenciais estão na escolha de (i) o tipo de atomização (névoa de ar ou apenas água), (ii) cinética de pulverização, (iii) potencial de pulverização e (iv) a eficiência de resfriamento correlacionada que é medida pela coeficiente de transferência de calor.





A necessidade de se ter uma boa qualidade do produto de aço fundido e o aumento da produtividade da máquina de lingotamento contínuo chamou a atenção para a necessidade de sistemas mais eficientes de resfriamento secundário durante o lingotamento contínuo de aço líquido. O resfriamento por névoa de ar na zona de resfriamento secundária de um CCM é um passo nessa direção. Os bicos de névoa de ar utilizam ar comprimido em combinação com a pressão da água para atomizar a água de resfriamento secundária. Isso fornece uma relação de redução / controle muito mais ampla, necessária no caso de o mix de produtos abranger uma ampla gama de tipos de aço. Os bicos de névoa de ar também oferecem passagem livre interna muito maior em comparação com bicos de fluido único com o mesmo tamanho de vazão.

Princípio do resfriamento por névoa de ar

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

A umidade relativa do ar no ambiente desempenha um papel importante no resfriamento por névoa de ar. É a quantidade de umidade (água) no ar em comparação com a quantidade de umidade que o ar pode absorver na mesma temperatura. Este é um fator crucial na determinação do potencial máximo de resfriamento por névoa de ar. Quanto menor a umidade relativa, mais água pode ser vaporizada, permitindo que mais calor seja removido. No caso de resfriamento por spray de água, quando a água é pulverizada sobre a superfície do aço acima de uma determinada temperatura, ela produz uma fina camada de vapor entre a superfície do aço e a água. Esta condição é muitas vezes referida como “fervura do filme” (Fig. 2). Estudos que utilizaram bicos de pulverização hidráulicos sugerem que o coeficiente de transferência de calor é amplamente dependente do fluxo de massa de água gerado pelo bico de pulverização. No entanto, a adição de ar ao spray de água cria uma situação complexa. O ar provoca a atomização da água que auxilia no resfriamento de uma superfície de aço.

O termo fenômenos Leidenfrost é dado ao conjunto de fenômenos observados quando uma pequena quantidade de líquido é colocada ou derramada sobre uma superfície muito quente. É nomeado após o médico alemão J. G. Leidenfrost. O fenômeno 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 de vapor isolante que impede que o líquido ferva rapidamente. O ponto Leidenfrost significa o início da ebulição estável do filme. Ele representa o ponto na curva de ebulição onde o fluxo de calor é mínimo e a superfície é completamente coberta por uma manta 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 relação ar/água também deve ser considerada com o ar comprimido fornecendo a energia cinética necessária para a penetração através da camada de vapor acima da superfície do cordão. Isso é importante além de 650 graus C por causa do fenômeno Leidenfrost. Além disso, o ângulo de pulverização do bico e a altura de pulverização desempenham papéis importantes. Ambos determinam as pegadas de pulverização (largura e profundidade de pulverização) 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 relação entre o volume de ar comprimido e a vazão de água deve ser considerada como outro fator no processo de resfriamento secundário. O resfriamento por spray no fio envolve a ebulição e a formação de uma 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.

Bocal de névoa de ar

A abordagem inicial para o sistema de resfriamento secundário para os CCMs foi baseada na utilização de bicos de pulverização de fluido único. A tecnologia de bicos passou por melhorias desde então, embora várias máquinas ainda funcionem apenas com sistemas de refrigeração à base de água e alcancem alta produtividade e alta qualidade do produto. No entanto, no ambiente atual, os CCMs precisam de alta flexibilidade em termos de graus de aço e variação de tamanho de seção e isso exige uma alta flexibilidade no sistema de resfriamento secundário e, portanto, os CCMs devem ser equipados 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 um coeficiente de transferência de calor muito alto, ângulos de pulverização estáveis ​​e distribuição uniforme de água. Os bicos de névoa de ar têm características de não entupimento e não há peças de desgaste na câmara de mistura de ar e água. A largura de pulverização desses bicos é estável dentro de uma ampla faixa de pressão da água. Assim, esses bicos possuem características de pulverização constantes e uniformes.

O bocal de névoa de ar deve atender aos requisitos de (i) atomização da água de resfriamento em uma névoa fina para resfriamento uniforme do aço, (ii) descarga de ângulo amplo do fluxo de névoa para reduzir a instalação do número de bocais, (iii) ) aumento do tamanho do bocal de saída para redução do entupimento do bocal e aumento da faixa de volume de água descarregada, e (iv) tamanho do bocal para facilitar sua instalação entre os rolos. Os fatores importantes no resfriamento por névoa de ar que contribuem para as condições efetivas de transferência de calor são (i) a densidade de fluxo da névoa de ar e (ii) a velocidade da pulverização.

É desejável ter bicos de névoa de ar com uma ampla relação de redução para manter os tipos de bicos instalados em um CCM em um número mínimo. Isso ajuda tanto na manutenção quanto na manutenção do estoque de bicos em níveis baixos.

Como os bicos de névoa de ar operam com ar comprimido além da água, as seções transversais livres necessárias para fornecer a mesma taxa de fluxo de água são aumentadas em comparação com os bicos de fluido único. As seções transversais livres aumentadas são menos propensas ao entupimento interno do bico geralmente causado pela má qualidade da água de pulverização e, como tal, mostram maior tempo de vida do bico e menor carga de trabalho de manutenção. A Fig 3 e a Tab 1 comparam o bico de fluido único com o bico de névoa de ar.

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

Guia 1 Comparação de resfriamento por névoa de ar com resfriamento de fluido único
Sl. No.	Resfriamento por névoa de ar	Resfriamento de fluido único
1	Taxa de redução do fluxo de água máxima de 30:1	Taxa de redução do fluxo de água máxima de 3,7:1
2	Seções transversais grandes	Seções transversais pequenas
3	Tendência mínima de entupimento	Maior tendência de entupimento
4	Ângulo de pulverização constante	O ângulo de pulverização principal varia com a pressão
5	Distribuição uniforme de líquidos	Distribuição irregular de líquido
6	Maior capacidade de extração de calor	Capacidade limitada de extração de calor
7	Fornece uma ampla faixa de velocidade de fundição para condições ideais de solidificação	Fornece faixa de velocidade de fundição limitada para condições ideais de solidificação
8	Permite que uma ampla variedade de classes de aço seja fundida no CCM	Restringe a faixa de graus de aço a serem fundidos no CCM
9	Precisa de menor fluxo de água	Precisa de maior fluxo de água
10	Maior custo de instalação	Menor custo de instalação

No sistema de resfriamento secundário de CCMs, é necessário que os bicos proporcionem uma distribuição uniforme de água em toda a superfície do cordão e em toda a relação de rotação. Tolerâncias de + / – 15% do valor médio podem ser alcançadas com um arranjo de bicos múltiplos em pressões de água que variam entre 1 kg/cm2 e 7 kg/cm2. As distribuições uniformes de pulverização fornecidas pelos bicos de névoa de ar nas taxas de redução mínima e máxima são mostradas na Fig 4.

Fig 4 Desempenho de distribuição de pulverização do bico de névoa de ar

A principal vantagem do bocal de névoa de ar sobre o bocal de fluido único é uma maior taxa de redução da água. A taxa de redução da água é calculada a partir da vazão na pressão máxima de operação da água (tipicamente 7 kg/sq cm) dividida pela vazão na pressão mínima de operação (tipicamente 0,5 kg/sq cm para bicos de névoa de ar e 1 kg/sq cm para bicos de fluido único). Os bicos mostram uma distribuição estável da água de pulverização dentro dessas faixas de pressão de operação. As taxas de redução de água típicas para bicos de névoa de ar variam na faixa de 10:1 a 30:1, enquanto as dos bicos de fluido único variam tipicamente na faixa de 2,6:1 a 3,7:1. O aumento da taxa de redução proporciona uma maior flexibilidade em termos de variação de transferência de calor. Isso é ilustrado na Figura 5.

Fig 5 Comparação das taxas de redução e coeficiente de transferência de calor de bicos de mistura de fluido e névoa de ar

Bocais de névoa de ar para fundição de tarugos e blocos

Quando o resfriamento por névoa de ar se torna para um CCM de tarugos ou flores, o bico de jato plano geralmente não é a melhor escolha. Isto é especialmente quando as “rachaduras no meio do caminho” são experimentadas. Rachaduras no meio do caminho são formadas devido ao reaquecimento da superfície do cordão após ele ter passado pela zona de extração de calor sob um jato de spray. Durante este processo de reaquecimento, a superfície se expande e impõe uma tensão de tração no material interno mais quente e mais fraco que pode então rachar. O uso de bicos de jato plano intensifica esse efeito.

Bicos de cone cheio ou bicos ovais proporcionam um resfriamento mais suave, extraindo calor sobre uma área de superfície estendida. Esses dois padrões de pulverização são o padrão para sistemas de resfriamento secundário de água de fluido único, no entanto, não houve uma versão adequada usando névoa de ar. Os bicos comuns de névoa de ar de cone cheio apresentam desempenhos de pulverização instáveis, consumos de ar muito altos e uma tendência a entupir com muita facilidade. Bicos de névoa de ar de cone oval com orifícios multi-slot. Padrões de pulverização não uniformes e as ranhuras muito estreitas e fáceis de entupir tornaram esses bicos pouco mais do 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 de névoa de ar nos CCMs de tarugos e flores. O design compacto do bloco permite a montagem tanto em barras de pulverização horizontais quanto no cabeçote de bico vertical 'banana'. Um bico de névoa de ar do tipo cone completo é mostrado na Fig 6.

Fig 6 Bocal de névoa de ar de cone cheio típico

Com esses bicos, as relações de redução de 1:14 foram alcançadas na faixa de pressão da água de 1 kg/sq cm e 10 kg/sq cm a 2 kg/sq cm de pressão constante do ar. Os ângulos de pulverização nominais para bicos circulares de cone completo variam de 0 graus a 90 graus. As passagens livres com 2 mm de diâmetro são cerca de 3 vezes maiores do que antes para um tamanho de bico com vazão variando de 0,5 litros por minuto (l/min) a 1 kg/sq cm de pressão de água e 5 l/min a 7 kg/sq cm pressão da água a uma pressão de ar constante de 2 kg/sq cm.

A guia 2 compara o desempenho do resfriamento por névoa de ar e resfriamento por spray em algumas das siderúrgicas japonesas

Guia 1 Comparação de resfriamento por névoa de ar e resfriamento por spray em algumas plantas japonesas
Sl. No.	Aciaria	Entupimento		Manutenção
		Resfriamento por névoa de ar	Resfriamento por spray	Resfriamento por névoa de ar	Resfriamento por spray
1	Planta 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	Planta B	Pequeno	Cerca de 20% em 5 meses	Sem entupimento	Mudança de bico entupido em 3 a 12 meses
3	Planta C	Pequeno	Uso da barra de caminhada	Mudança de 15 bicos em 2 meses	Uso de barras de caminhada
4	Planta D	Pequeno	Cerca de 20% em 4 meses	Check in 15 dias	Faça check-in de cada elenco
	* Bocal de injeção de ar

Os benefícios do resfriamento por névoa de ar em uma máquina de lingotamento contínuo são (i) redução da incidência de trincas superficiais e de canto e segregação central devido à melhoria na distribuição do líquido e redução no fluxo de água de resfriamento, (ii) aumento das velocidades de lingotamento e capacidade de produção , (iii) melhoria da condição de operação do CCM para um mix de produtos ampliado devido à maior taxa de redução e otimização da relação ar/água, (iv) redução significativa dos custos de manutenção e tubulação devido à montagem simples e rígida do bico e tubulação de pulverização , e (v) melhoria na segurança operacional devido ao perfeito alinhamento dos bicos e tubulações de pulverização e à redução do entupimento dos bicos.