2.2 Theoretical Framework
2.2.3 Participation for Sustainable Community Transformation
O sistema PIV foi utilizado para validar a correlação de F (calculado considerando a velocidade medida pelo PIV no ponto de impacto) com a velocidade no menisco, com o objetivo de se identificar faixas de velocidades propensas a defeitos.
Para o cálculo do parâmetro F na região do ponto de impacto ou impingimento, utilizou-se a expressão matemática do fator F vista na figura 3.14. Para os valores do parâmetro F no modelo e na máquina industrial, os resultados seguem conforme a equação (ARAÚJO JÚNIOR et al, 2011): m i F F = 2 7 (5.1)
As Tabelas 5.I, 5.II, 5.III e 5.IV apresentam os resultados do cálculo do parâmetro F no modelo e na máquina industrial, com e sem injeção de hélio, sendo F calculado a partir do valor medido da velocidade no ponto de impacto através da técnica PIV.
Tabela 5-I – Valores de F no modelo e máquina industrial para a Válvula de corpo padrão com geometria da porta de saída em formato ovalado, ângulo 15°, vazão 160, 165, 180, 190, 195 l/min, sem injeção de Hélio; velocidade medida no ponto de impacto via PIV.
50 Tabela 5-II – Valores de F no modelo e máquina industrial para a Válvula de corpo padrão com geometria da porta de saída em formato ovalado, ângulo 15°, vazão 160, 165, 180, 190, 195 l/min, com injeção de Hélio; velocidade no ponto de impacto medida via PIV
Tabela 5-III – Valores de F no modelo e máquina industrial para a Válvula de corpo padrão com geometria da porta de saída em formato ovalado, ângulo 25°, vazão 160, 165, 180, 190, 195 l/min, sem injeção de Hélio; velocidade no ponto de impacto medida via PIV.
Tabela 5-IV – Valores de F no modelo e máquina industrial para a Válvula de corpo padrão com geometria da porta de saída em formato ovalado, ângulo 25°, vazão 160, 165, 180, 190, 195 l/min, com injeção de Hélio; velocidade no ponto de impacto medida via PIV.
51 As figuras 5.19 a 5.26 mostram a relação entre o valor de F (calculado a partir do valor medido da velocidade no ponto de impacto através da técnica PIV) e os vários parâmetros operacionais. Como esperado, quanto maior a velocidade de lingotamento, maior o valor de F, o que decorre da definição deste parâmetro. De modo geral quanto maior a imersão da SEN, menor é o valor de F. Entretanto, para a maior largura, 1200mm, esta tendência não é satisfeita (figura 5.26) ou mesmo é contrariada (figura 5.24). Mapas vetoriais foram utilizados como ferramenta de visualização de fluxo (a partir dos filmes obtidos em ―laser sheet visualization‖, fracionados em quadros, o software PIVIEW produz mapas vetoriais de velocidade). Os fluxos foram comparados em imersões de 80 mm e 110 mm para a largura de 1200 mm (modelo), figuras 5.17 e 5.18. Para a configuração com imersão de 110 mm parece existir um maior direcionamento do jato contra a parede do molde, o que justifica maiores valores de velocidade medida pelo PIV no ponto de impacto.
Figura 5.17 – Visualização via laser sheet e mapa vetorial para válvula de corpo padrão com geometria da porta de saída em formato ovalado, sem injeção de Hélio, largura 1200 mm, e imersão 110 mm, vazão de 165 lpm e ângulo de 25°.
Figura 5.18 – Visualização via laser sheet e mapa vetorial para Válvula de corpo padrão com geometria da porta de saída em formato ovalado, sem injeção de Hélio, largura 1200, imersão 80 mm, vazão de 165 lpm e ângulo de 25°.
52 Figura 5.19 - Valor de Vazão de líquido (l/min) versus FM modelo (N/m), válvula saída em formato ovalado de 15° sem injeção de hélio na largura de 960 mm (modelo).
Figura 5.20 - Valor de Vazão de líquido (l/min) versus FM modelo (N/m), válvula saída em formato ovalado de 15° sem injeção de hélio na largura de 1200 mm (modelo).
Figura 5.21 - Valor de Vazão de líquido (l/min) versus FM modelo (N/m), válvula saída em formato ovalado de 15° com injeção de hélio na largura de 960 mm (modelo).
53 Figura 5.22 - Valor de Vazão de líquido (l/min) versus FM modelo (N/m), válvula saída em formato ovalado de 15° com injeção de hélio na largura de 1200 mm (modelo).
Figura 5.23 - Valor de Vazão de líquido (l/min) versus FM modelo (N/m), válvula saída em formato ovalado de 25° sem injeção de hélio na largura de 960 mm (modelo).
Figura 5.24 - Valor de Vazão de líquido (l/min) versus FM modelo (N/m), válvula saída em formato ovalado de 25° sem injeção de hélio na largura de 1200 mm (modelo).
54 Figura 5.25 - Valor de Vazão de líquido (l/min) versus FM modelo (N/m), válvula saída em formato ovalado de 25° com injeção de hélio na largura de 960 mm (modelo).
Figura 5.26 - Valor de Vazão de líquido (l/min) versus FM modelo (N/m), válvula saída em formato ovalado de 25° com injeção de hélio na largura de 1200 mm (modelo).
A formulação de F implica que os valores dos mesmos devem ser menores quanto maior for o ângulo de saída do jato. Como este deve estar relacionado ao ângulo da porta da SEN espera- se encontrar alguma influência deste sobre o valor de F. Essa tendência pôde ser observada, vide figuras 5.29 a 5.35. Entretanto, vide figura 5.36, para a maior largura, 1200mm, e imersão de 110mm, esta tendência é contrariada. Isto em consequência de uma maior velocidade no ponto de impacto observada para o ângulo de 25° em comparação com 15°. As figuras 5.27 e 5.28 mostram a comparação entre os mapas vetoriais para os dois ângulos, na imersão de 110 mm.
55 Figura 5.27 – Visualização do laser sheet e mapa vetorial para Válvula de corpo padrão com geometria da porta de saída em formato ovalado, sem injeção de Hélio, largura 1200 mm, e imersão 110 mm, vazão de 165 lpm e ângulo de 25°.
Figura 5.28 – Visualização do laser sheet e mapa vetorial para Válvula de corpo padrão com geometria da porta de saída em formato ovalado, sem injeção de Hélio, largura 1200 mm, e imersão 110 mm, vazão de 165 lpm e ângulo de 15°.
Figura 5.29 - Valor de Vazão de líquido (l/min) versus FM modelo (N/m), válvula saída em formato ovalado sem injeção de hélio na largura de 960 mm (modelo) e Imersão 80 mm.
56 Figura 5.30 - Valor de Vazão de líquido (l/min) versus FM modelo (N/m), válvula saída em formato ovalado sem injeção de hélio na largura de 960 mm (modelo) e Imersão 110 mm.
Figura 5.31 - Valor de Vazão de líquido (l/min) versus FM modelo (N/m), válvula saída em formato ovalado com injeção de hélio na largura de 1200 mm (modelo) e Imersão 80 mm.
Figura 5.32 - Valor de Vazão de líquido (l/min) versus FM modelo (N/m), válvula saída em formato ovalado com injeção de hélio na largura de 1200 mm (modelo) e Imersão 110 mm.
57 Figura 5.33 - Valor de Vazão de líquido (l/min) versus FM modelo (N/m), válvula saída em formato ovalado com injeção de hélio na largura de 960 mm (modelo) e Imersão 80 mm
Figura 5.34 - Valor de Vazão de líquido (l/min) versus FM modelo (N/m), válvula saída em formato ovalado com injeção de hélio na largura de 960 mm (modelo) e Imersão 110 mm
Figura 5.35 - Valor de Vazão de líquido (l/min) versus FM modelo (N/m), válvula saída em formato ovalado sem injeção de hélio na largura de 1200 mm (modelo) e Imersão 80 mm
58 Figura 5.36 - Valor de Vazão de líquido (l/min) versus FM modelo (N/m), válvula saída em formato ovalado sem injeção de hélio na largura de 1200 mm (modelo) e Imersão 110 mm
Em geral, admite-se que o ângulo de saída do jato é determinado pelo ângulo físico da porta da SEN. Como se nota, vide figuras 5.37, 5.38, 5.39, 5.40, 5.41, 5.42, 5.43 e 5.44, o ângulo da porta representa o fator principal, mas o ângulo de jato e ângulo da porta não podem ser tomados como sendo iguais. A relação entre o ângulo da porta de saída da SEN e o ângulo do jato com e sem injeção de Hélio para as larguras de 960 mm e 1200 mm é semelhante.
Figura 5.37 - Relação entre o ângulo da porta da SEN e o ângulo de impacto do jato para a válvula saída em formato ovalado de 15° e 25° sem injeção de hélio na largura de 960 mm (modelo) e imersão de 80 mm
59 Figura 5.38 - Relação entre o ângulo da porta da SEN e o ângulo de impacto do jato para a válvula saída em formato ovalado de 15° e 25° sem injeção de hélio na largura de 960 mm (modelo) e imersão de 110 mm
Figura 5.39 - Relação entre o ângulo da porta da SEN e o ângulo de impacto do jato para a válvula saída em formato ovalado de 15° e 25° sem injeção de hélio na largura de 1200 mm (modelo) e imersão de 80 mm
Figura 5.40 - Relação entre o ângulo da porta da SEN e o ângulo de impacto do jato para a válvula saída em formato ovalado de 15° e 25° sem injeção de hélio na largura de 1200 mm (modelo) e imersão de 110 mm
60 Figura 5.41 - Relação entre o ângulo da porta da SEN e o ângulo de impacto do jato para a válvula saída em formato ovalado de 15° e 25° com injeção de hélio na largura de 960 mm (modelo) e imersão de 80 mm
Figura 5.42 - Relação entre o ângulo da porta da SEN e o ângulo de impacto do jato para a válvula saída em formato ovalado de 15° e 25° com injeção de hélio na largura de 960 mm (modelo) e imersão de 110 mm
Figura 5.43 - Relação entre o ângulo da porta da SEN e o ângulo de impacto do jato para a válvula saída em formato ovalado de 15° e 25° com injeção de hélio na largura de 1200 mm (modelo) e imersão de 80 mm
61 Figura 5.44 - Relação entre o ângulo da porta da SEN e o ângulo de impacto do jato para a válvula saída em formato ovalado de 15° e 25° com injeção de hélio na largura de 1200 mm (modelo) e imersão de 110 mm
Admite-se ainda que, em função de maior inércia, o ângulo do jato seria maior quanto maior a vazão, o que não foi encontrado nestes experimentos, vide figuras 5.45 e 5.46.
Figura 5.45 - Relação entre a vazão (l/min) de líquido e o ângulo de impacto do jato para a válvula saída em formato ovalado de 15° e 25° sem injeção de hélio nas larguras de 960 mm (modelo) e 1200 mm (modelo)
62 Figura 5.46 - Relação entre a vazão (l/min) de líquido e o ângulo de impacto do jato para a válvula saída em formato ovalado de 15° e 25° com injeção de hélio nas larguras de 960 mm (modelo) e 1200 mm (modelo)
Após cálculo do parâmetro F (considerando a velocidade no ponto de impingimento), procedeu-se à medição da velocidade superficial (no menisco). Pressupõe-se uma relação quase linear entre os dois valores, tal como a apresentada na figura 3.15. De acordo com a literatura a faixa pretendida de velocidade subsuperficial na máquina industrial seria de 0,2 m/s a 0,35 m/s.
As figuras 5.47 e 5.48 representam as relações entre o parâmetro F (considerando a velocidade medida no ponto de impacto) e as respectivas velocidades medidas na região do menisco, sem injeção de hélio. As figuras 5.47 e 5.48 que se referem respectivamente ao ângulo de porta igual a 15° e 25°. Claramente parece existir uma curva de tendência aplicável para a combinação ―1200mm de largura e 80 mm de imersão‖ e outra, válida para todas as outras combinações de largura e imersão. Observe-se que as velocidades de menisco são menores para a combinação ―1200mm de largura e 80 mm de imersão‖ quando o ângulo da porta é 15º e maiores, quando o ângulo da porta é 25º .
63 Figura 5.47 - Correlação entre FM (parâmetro F do modelo calculado com velocidade medida no ponto de impacto) e velocidade superficial (menisco) para ângulo de 15° (sem injeção de hélio)
Figura 5.48 - Correlação entre FM (parâmetro F do modelo calculado com velocidade medida no ponto de impacto) e velocidade superficial (menisco) para ângulo de 25° (sem injeção de hélio)
As Figuras 5.49 e 5.50 representam as relações entre o parâmetro F (calculado a partir da velocidade média) e as respectivas velocidades medidas na região do menisco, sem injeção de hélio. Parece existir uma curva de tendência aplicável para a combinação ―1200mm de largura e 80 mm de imersão‖ e outra, válida para todas as outras combinações de largura e imersão. As velocidades de menisco são menores para a combinação ―1200mm de largura e 80 mm de imersão‖ quando o ângulo da porta é 15º . No caso de ângulo da porta igual a 25º uma relação única se aplica a todas as combinações.
64 Figura 5.49 - Correlação entre FM (parâmetro F do modelo calculado a partir da velocidade média) e velocidade superficial (menisco) para ângulo de 15° (sem injeção de hélio)
Figura 5.50 - Correlação entre FM (parâmetro F do modelo calculado a partir da velocidade média) e velocidade superficial (menisco) para ângulo de 25° (sem injeção de hélio)
Para os testes com injeção de gás Hélio, o PIV apresentou dificuldades específicas quanto ao discernimento entre bolhas e partículas, ainda mais agravadas quando se empregam vazões de líquido maiores, caso em as bolhas são carreadas até o ponto de medição de velocidade de impacto.
A influência dos parâmetros operacionais sobre o valor de F (calculado a partir da velocidade medida no ponto de impacto) pode ser sintetizada conforme a equação:
65 Considerando então que a faixa ótima de velocidades seria de 0,20 a 0,35 m/s (na máquina industrial), têm-se para a válvula de corpo padrão com geometria da porta de saída em formato ovalado de 15° e 25° sem injeção de Hélio, nas larguras de 960 mm (1600 mm industrial) e 1200 mm (2000 mm industrial), a situação descrita na figura 5.51.
Figura 5.51 - Velocidade superficial para máquina industrial empregando válvula de corpo padrão com geometria da porta de saída em formato ovalado de 15° e 25° sem injeção de Hélio nas larguras de 960 mm (modelo) e 1200 mm (modelo)
Os pontos em destaque que se encontram fora da faixa especificada podem ser traduzidos como sendo:
(1) Molde com 1600 mm de Largura (960 mm no modelo), Válvula Padrão, geometria de saída "ovalada", ângulo da porta de 15º, Imersão de 180 mm (110 mm no modelo), vazão de lingotamento de aproximadamente 4,21 t/min (160 lpm no modelo);
(2) Molde com 2000 mm de Largura (1200 mm no modelo), Válvula Padrão, geometria de saída "ovalada", ângulo da porta de 15º, Imersão de 180 mm (110 mm no modelo), vazão de lingotamento de aproximadamente 4,44 t/min (165 lpm no modelo);
(3) Molde com 2000 mm de Largura (1200 mm no modelo), Válvula Padrão, geometria de saída "ovalada", ângulo da porta de 15º, Imersão de 180 mm (110 mm no modelo), vazão de lingotamento de aproximadamente 4,81 t/min (180 lpm no modelo);
(4) Molde com 2000 mm de Largura (1200 mm no modelo), Válvula Padrão, geometria de saída "ovalada", ângulo da porta de 15º, Imersão de 130 mm (80 mm no modelo), vazão de lingotamento de aproximadamente 4,44 t/min (165 lpm no modelo);
66 (5) Molde com 2000 mm de Largura (1200 mm no modelo), Válvula Padrão, geometria de saída "ovalada", ângulo da porta de 15º, Imersão de 130 mm (80 mm no modelo), vazão de lingotamento de aproximadamente 4,81 t/min (180 lpm no modelo);
(6) Molde com 2000 mm de Largura (1200 mm no modelo), Válvula Padrão, geometria de saída "ovalada", ângulo da porta de 15º, Imersão de 130 mm (80 mm no modelo), vazão de lingotamento de aproximadamente 5,18 t/min (195 lpm no modelo).
Em todos os casos citados a velocidade no menisco se encontra abaixo do valor mínimo recomendável. Os casos de 2 a 6 ocorreram para testes com largura de 2000 mm (industrial) nas imersões de 130 e 180 mm (industrial) e angulo de 15° e o caso 1, se refere a largura de 1600 mm (industrial) na imersão de 180 mm (industrial) e vazão de 4,21 t/min.
As figuras 5.52 e 5.53 permitem uma comparação entre os mapas vetoriais para a largura de 960 mm (modelo) nas duas imersões de 110 e 80 mm, com ângulo da porta de saída da SEN igual a 15° e vazão de 160 lpm, sem Hélio. Se nota uma significativa alteração no padrão de fluxo, notadamente à meia distância entre válvula e face estreita, região de medição do PIV. A alternativa para ajuste da velocidade na superfície do molde seria a mudança da imersão da SEN, pois, para uma vazão menor que 180 l/min, tem-se velocidades fora do especificado.
Figura 5.52 – Visualização via “laser sheet” e mapa vetorial para válvula de corpo padrão com geometria da porta de saída em formato ovalado, sem injeção de Hélio, largura 960 mm, imersão 110 mm, vazão de 160 lpm e ângulo de 15°
67 Figura 5.53 – Visualização via “laser sheet” e mapa vetorial para válvula de corpo padrão com geometria da porta de saída em formato ovalado, sem injeção de Hélio, largura 960 mm, imersão 80 mm, vazão de 160 lpm e ângulo de 15°
As combinações referentes à largura de 1200 mm, vazão de 165 lpm, imersões de 80 e 110 mm, e ângulos de porta iguais a 15º e 25º são caracterizadas por mudanças no padrão de fluxo, que chegam a dificultar a percepção de formação de duplo rolo. Esta mudança atinge o ponto de medição de velocidade de menisco, como se exemplifica nas figuras 5.54 a 5.57. A alternativa para ajuste (aumento) da velocidade na superfície do molde seria a mudança do ângulo de saída da porta da SEN de 15° para 25°.
Figura 5.54 – Visualização via “laser sheet” e mapa vetorial para válvula de corpo padrão com geometria da porta de saída em formato ovalado, sem injeção de Hélio, largura 1200 mm, imersão 110 mm, vazão de 165 lpm e ângulo de 15°
68 Figura 5.55 – Visualização via “laser sheet” e mapa vetorial para válvula de corpo padrão com geometria da porta de saída em formato ovalado, sem injeção de Hélio, largura 1200 mm, imersão 80 mm, vazão de 165 lpm e ângulo de 15°
Figura 5.56 – Visualização via “laser sheet” e mapa vetorial para válvula de corpo padrão com geometria da porta de saída em formato ovalado, sem injeção de Hélio, largura 1200 mm, imersão 110 mm, vazão de 165 lpm e ângulo de 25°
Figura 5.57 – Visualização via “laser sheet” e mapa vetorial para válvula de corpo padrão com geometria da porta de saída em formato ovalado, sem injeção de Hélio, largura 1200 mm, imersão 80 mm, vazão de 165 lpm e ângulo de 25°
69 Para se confirmar a aplicabilidade dos resultados experimentais, foi realizado um levantamento de incidência de defeitos em placas, de modo a correlacioná-la às condições operacionais determinadas em termos do parâmetro F. Para determinação do valor de F(calculado a partir da velocidade média na porta de saída da SEN) utilizou-se a equação seguinte, válida para o modelo, com injeção de Hélio:
F= 0,81247 + 998 * vazão [m3/s] - 0,0224 * Ângulo SEN [°] – 8,83 * imersão [m] -0,507 * largura [m] R² = 87,92%.
Como já citado as condições operacionais abordadas se referem ao lingotamento de aços da família do Médio Carbono e Peritético; os defeitos são aqueles oriundos de arraste de pó fluxante (Lamination, Scab, Slivers) e trincas longitudinais central.
Os valores reais dos dados de processo (valores industriais) e especificações dimensionais das placas lingotadas que foram submetidas à avaliação da relação entre F com os defeitos estão apresentados na tabela 5.V.
Tabela 5-V – Parâmetros Geométricos e Operacionais- Dados de Processo das Placas que foram submetidas à avaliação da relação entre o parâmetro F com os defeitos
As figuras 5.58, 5.59 e 5.60 representam as relações entre o parâmetro F em relação à freqüência do defeito (peso de placas com defeito no cliente/peso de placas aprovadas x 100) para defeitos Lamination e para o defeito Trinca Longitudinal. Para todos os defeitos avaliados, a região do parâmetro F que se deve evitar varia de 5,0 a 7,0 N/m. O aço foi avaliado é o da família Médio Carbono.
70 Figura 5.58 - Relação entre Parâmetro F (N/m) versus freqüência de defeitos devido a Arraste de Pó fluxante para o aço médio Carbono (%)
Figura 5.59 - Relação entre Parâmetro F (N/m) versus freqüência de defeitos devido à scab (escamação na placa devido à presença de pó fluxante) para o aço médio Carbono (%)
Figura 5.60 - Relação entre Parâmetro F (N/m) versus freqüência de defeitos devido a Trinca Longitudinal para o aço médio Carbono (%)
71 Para o defeito trinca longitudinal, foi avaliada sua relação com o parâmetro F levando em consideração o grau de severidade do defeito, que seria a relação da profundidade de trinca com valor de F.
Utilizou-se a regressão múltipla ―stepwise‖ para definir os parâmetros de maior influência na incidência de trincas longitudinais. Foi considerado como variável resposta a ―profundidade de trinca‖, ou seja, considerou-se o grau de severidade do defeito. O aço analisado foi o da família peritético. Os resultados mostraram que a profundidade de imersão da válvula submersa e a quantidade de água no molde são parâmetros de maior importância. Isto porque, no caso desta operação industrial, a vazão de água no molde não é ajustada com a alteração da velocidade e, por consequência, para baixas velocidades, implica na redução da taxa de extração de calor, ver figura 5.61, tornando-a irregular e assim contribuindo para a formação das trincas longitudinais. Para imersão de válvula submersa com maiores profundidades, tem- se trincas mais profundas, o que pode ser explicado pelo congelamento do menisco.
Figura 5.61 - Relação entre a transferência de calor na face larga do raio externo versus velocidade de lingotamento
Pode-se utilizar como modelo os dados da regressão seguinte:
Profundidade TG (mm) = - 4538,1 +1,99 * Imersão da SEN [mm] + 0,89 * fluxo de água no molde[l/min] R2 ~ 63%
72 Figura 5.62 - Range de defeito para parâmetro F (N/m) levando em consideração F versus profundidade de Trincas Longitudinais
A maior severidade de trincas ocorre na faixa de F de 5,0 a 7,0 N/m, o que pode ser explicado pela baixa velocidade de lingotamento (0,8 a 0,9 m/min); as trincas seriam devidas ao freezing do menisco; adicionalmente à inadequação do pó fluxante (recomendado para altas temperaturas, altas velocidades de lingotamento). Portanto, a imersão de válvula deve ser reduzida para minimizar o congelamento do menisco.
No caso de parâmetro F com valor maior que 7,0 N/m, observam-se corridas com e sem trincas. Para corridas com imersões acima de 150 mm (velocidade de 1,0 m/min), ocorre o congelamento do menisco e as trincas aparecem. Para corridas, sem trincas a imersão de válvula, foi menor que 144 mm (velocidade de 1,0 m/min), o que promove o aquecimento do menisco. A tabela 5.VI apresenta os parâmetros de processo.
73 Tabela 5-VI – Parâmetros Geométricos e Operacionais- Dados de Processo das Placas que foram submetidas à avaliação da relação entre o parâmetro F e trinca longitudinal.
As trincas ocorreram em condições semelhantes ao exposto na literatura, ou seja, velocidades baixas com a válvula menos imersa e válvula com imersões maiores com velocidade visada. Após esta avaliação recomendou-se redução de 8% da água da face larga do molde e limitou- se a imersão da válvula submersa em dois set points de 135 mm e 150 mm.
O pó fluxante e a válvula submersa foram ajustados com o objetivo de baixar a transferência de calor no molde. Para o pó fluxante aumentou-se a temperatura de cristalização (aumento da temperatura de solidificação ou "Tbreak" e aumento da basicidade CaO/SiO2). A taxa de
fusão é parâmetro importante, pois influencia sobre a profundidade do filme de escoria líquida. Filmes mais espessos provêm maior capacidade de abastecimento de lubrificante ao gap, maior resistência a flutuações de nível, e filmes finos podem expor o aço à atmosfera.