Um bom controle da temperatura no distribuidor é essencial, a fim de melhorar a produtividade e a qualidade do produto. Esta temperatura é influenciada tanto por perdas de calor no distribuidor e por estratificação térmica e pela drenagem da panela. Portanto, existe uma necessidade de modelos de controle da temperatura que leve em conta ambos os efeitos (GRIP et al., 1999). A soma de ambos influencia a temperatura do aço que sai da panela e, consequentemente, afeta as temperaturas dentro de distribuidor.
As perdas de calor do aço líquido são parte de um processo transitório, que dá origem a turbulentas correntes de convecção naturais dentro do banho. A consequência típica desse fenômeno é a estratificação térmica do aço líquido (PAN, 2002). É desejável obter um campo térmico homogeneizado na panela de modo que a temperatura no distribuidor não varie durante o vazamento da panela (GANGULY e CHAKRABORTY, 2004). A estratificação térmica geralmente provoca variações na
18 temperatura e em casos extremos pode causar uma solidificação do aço no bocal da válvula, na parte inferior da panela (RODRIGUES, 1998).
Na convecção natural o movimento do fluido é devido às forças de empuxo no seu interior, enquanto na convecção forçada o movimento é imposto externamente. O empuxo é devido à presença combinada de um gradiente de massa específica no fluido e de uma força de corpo que é proporcional à massa específica. Na prática a força de corpo geralmente é gravitacional.
Pan e Björkman (2006) estudaram o fluxo de correntes de convecção e a transferência de calor em panela utilizando um modelo, representado na Figura 3.8, com água que consiste em duas câmaras de resfriamento: uma cilíndrica simulando as paredes da panela e uma lisa simulando o fundo da panela. Água quente foi utilizada representando o aço líquido e água fria com a temperatura controlada foi introduzida em câmaras de modo a resfriar a água quente.
Figura 3.8: Fluxo da corrente de convecção (esquerda) e campos de temperatura (direita), após 6 minutos de resfriamento em um modelo utilizando água quente, escala 1/4 de uma panela 107 toneladas (Pan e Björkman, 2006).
19 O trabalho de Austin et al. (1992) teve como objetivo analisar o impacto que a estratificação tem sobre as temperaturas de vazamento subsequentes. Foi utilizada uma análise numérica da evolução da convecção natural e estratificação térmica. O efeito sobre a temperatura de vazamento para diversas taxas de resfriamento da panela e diferentes tempos de permanência do banho na panela foi determinado. Além disso, a influência do tamanho da panela foi considerada.
Figura 3.9 mostra os vetores de velocidade e os campos isotérmicos previstos para
uma panela de 200 toneladas com uma taxa de resfriamento de 0,5oC/min para os
15 primeiros minutos.
Figura 3.9: Vetores de velocidade e campos isotérmicos depois de 15 minutos de espera para uma panela de 200 toneladas para uma taxa de resfriamento igual a 0,5oC/min (AUSTIN et al., 1992).
As isotermas são planas, com exceção das regiões próximas às paredes da panela onde o fluxo de calor para as paredes é maior. Austin et al. (1992) e Ganguly e Chakraborty (2004) descrevem estas isotermas. Perto das paredes, o fluido, estando a menor temperatura e sendo mais denso, afunda sob a influência da gravidade, produzindo-se assim uma camada mais fria (e, portanto, mais densa) de aço na
20 parte inferior da panela. O campo de velocidades da linha central mostra um fluxo ascendente de aço quente, devido à sua menor densidade. A energia cinética turbulenta tem, portanto, um valor máximo próximo às paredes laterais e um baixo valor no centro da panela.
As Figuras 3.10 e 3.11 apresentam os vetores velocidade e isotermas para a mesma panela depois de 25 e 45 minutos respectivamente de permanência do banho dentro da panela. As isotermas ilustram que a estratificação aumenta com o tempo de permanência. É notório que a magnitude dos vetores de velocidade diminui e também o tamanho da zona de recirculação diminui.
Figura 3.10: Vetores de velocidade e campos isotérmicos depois de 25 minutos de espera para uma panela de 200 toneladas para uma taxa de resfriamento igual a 0,5oC/min (AUSTIN et al., 1992).
21 Figura 3.11: Vetores de velocidade e campos isotérmicos depois de 45 minutos de espera para uma panela de 200 toneladas para uma taxa de resfriamento igual a 0,5oC/min (AUSTIN et al., 1992).
A Figura 3.12 mostra a diferença de temperatura ao longo do tempo, para diferentes taxas de resfriamento instaladas. Após um período inicial, o grau de estratificação é função linear da taxa de resfriamento. Essa linearidade pode ser observada comparando-se as curvas na Figura 3.12 e ela indica que há uma relação entre a diferença de temperatura e as taxas de resfriamento. Portanto a taxa de resfriamento e a taxa de estratificação são diretamente proporcionais (AUSTIN et al., 1992).
O modelo desenvolvido por Austin et al. (1992) não levou em consideração nenhuma calibração com dados experimentais.
22 Figura 3.12: Desenvolvimento da estratificação, tomada como diferença entre a parte superior central do banho e temperaturas em posições mais inferiores ao longo do tempo, para diferentes taxas de resfriamento (AUSTIN et al., 1992).
Grip et al. (1999) validou seu modelo com dados experimentais de uma planta usando termopares penetrados no banho metálico em uma panela de 107 toneladas. As temperaturas registradas pelos termopares são mostradas na Figura 3.13. O diagrama mostra dois tempos de espera, antes e depois da homogeneização do banho por injeção de gás.
Figura 3.13: Estratificação térmica em uma panela de 107 toneladas. Temperaturas medidas e preditas em função do tempo (GRIP et al., 1999).
23 Como resultado, há uma diferença entre a leitura feita pelos dois termopares durante o período de espera e essa diferença aumenta com o tempo. Além disso, essa diferença diminui durante a agitação por injeção de gás e os termopares mostraram uma mesma temperatura após 2 a 3 minutos de agitação.
Xia e Ahokainen (2001) mostraram que a estratificação térmica significativa ocorre quando o aço líquido possui uma camada de escória isolante e o grau de estratificação aumenta com o tempo de retenção. Para uma fina camada de escória com uma apreciável perda de calor no topo, o aço na panela é bem misturado, devido a fortes fluxos de convecção. Estes, por sua vez, resultam na homogeneização da temperatura do banho. No entanto, neste caso, a temperatura média diminui continuamente e essa tendência continua durante o vazamento. A quantidade de perda de calor através da superfície de topo do banho determina principalmente a variação da temperatura de vazamento.
Fredman (2000) também estudou o impacto da espessura da camada de escória utilizando um modelo físico em acrílico com água aquecida. O modelo permitiu visualizar o mecanismo de correntes de convecção como mostrado na Figura 3.14.
Figura 3.14: Correntes convectivas dentro do banho de aço durante o vazamento para duas espessuras de escória (FREDMAN, 2000).
24 O comportamento de panelas com uma espessa camada de escória e uma fina camada de escória são diferentes. Quando a escória é mais espessa ela atua como um isolante térmico que faz com que o aço estratificado permaneça sobreaquecido em relação ao restante do aço contido na panela. Já a escória com uma espessura normal ocasiona um fluxo de aço na panela.
Grip et al. (1996) afirmam que somente informações sobre a estratificação térmica não são suficientes para obter uma correta previsão do comportamento da temperatura. Além disso deve-se ter conhecimento sobre o fluxo de saída da panela durante o vazamento.