Two-dimensional modeling of solidification in the continuous casting process of cartesian and cylindrical geometries

Orientadores: Amauri Garcia, Noé CheungTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: A solidificação de produtos metálicos via lingotamento contínuo (LC) com minimização de defeitos é um desafio constante na indústria metalúrgica, no sentido de se manter competitiva no mercado. Uma das abordagens utilizadas planejamento de operações de LC, em particular na indústria siderúrgica, consiste na aplicação de modelos matemáticos de transferência de calor à solidificação, uma vez que grande parte dos defeitos metalúrgicos no lingotamento contínuo está ligada ao comportamento térmico do lingote, os quais decorrem de condições de resfriamento impróprias. A intensificação na utilização de diferentes técnicas de modelagem da solidificação de metais em processos industriais de LC, com ênfase em pacotes comerciais, tem sido notável tanto no controle do processo como na otimização da produção na busca de melhor qualidade dos produtos e redução de custos. O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de modelos matemáticos bidimensionais em geometrias cartesianas e cilíndricas, para uma análise teórica da solidificação no processo de LC, envolvendo tarugos quadrados, placas, tarugos circulares maciços e vazados (tubos). A simulação numérica do processo de solidificação só pode produzir informação confiável se as condições de contorno do modelo matemático, como o coeficiente de transferência de calor na interface metal/molde, e as propriedades termofísicas do aço forem conhecidas com precisão. Os resultados obtidos pelo modelo em geometria cartesiana de LC foram comparados com resultados de outros modelos existentes na literatura e apresentaram ótima consonância. O modelo em geometria cartesiana foi aplicado na análise de situações de operações reais de uma máquina de LC. Nesse modelo também foram utilizados algoritmos evolutivos de inteligência artificial associados a um método de cálculo inverso de transferência de calor para otimizar a busca por condições de resfriamento a partir de temperaturas superficiais conhecidas. Os modelos em geometria cilíndrica de LC ¿ para tarugos maciços e tubos ¿ foram adaptados para a condição de lingotamento estático para efeito de validação com resultados experimentais da literatura. O modelo em geometria cilíndrica foi aplicado para analisar a influência da geometria na evolução da camada solidificada e na evolução da temperatura superficial de tarugos maciços com área circular transversal equivalente a de um tarugo de seção quadrada em uma real máquina de LC. No caso de LC de tubos, o modelo em geometria cilíndrica foi aplicado para dimensionar as condições de resfriamento de uma máquina de LC de tubos de grandes dimensões de um aço API (American Petroleum Institute), de interesse da indústria petroquímicaAbstract: The solidification of metallic components by continuous casting (CC), with minimization of defects, is a constant challenge for the metallurgical industry in search of competitiveness in the industrial market. One of the main approaches used in the planning of CC operation, in particular in the steel industry, is the use of heat-transfer solidification models since metallurgical defects are associated with the casting thermal behavior, which are usually related to inappropriate cooling conditions. The increasing use of different modeling techniques for dealing with solidification of metals in industrial CC processes, in particular commercial software packages, has led to remarkable results in both the process control and production optimization in search of quality improvements associated with cost savings. In the present study two-dimensional mathematical models are developed in Cartesian and cylindrical coordinates, to the use in theoretical analyses of solidification during the CC process of square billets, slabs, massive and hollow cylinders (tubes). The numerical simulation can only provide reliable information if accurate boundary conditions of the mathematical model are available, such as the metal/mold heat transfer coefficients and the thermophysical properties of steels. The results that were obtained by the developed Cartesian version of the CC model have been compared with models from the literature and very good agreement has been observed. The mentioned model has been applied to real operating conditions of a CC machine. The model has also been interconnected to evolutionary algorithms of artificial intelligence with a view to permitting an inverse heat conduction problem technique to be applied in the search of optimized cooling conditions based on experimental surface temperatures. The developed model for cylindrical geometries in CC - massive cylinders and tubes- has been adapted for the condition of static castings for validation against results from the literature. This model has also been applied to analyse the effect of geometry on the evolution of solidifying thickness and casting temperature of massive cylinders, by comparing a similar cross section with that of an equivalent square billet for real CC machine conditions. In the case of CC of tubes, the developed model has been applied in the design of cooling conditions of a CC machine for the production of large API (American Petroleum Institute) steel tubes used by the petrochemical industryDoutoradoMateriais e Processos de FabricaçãoDoutora em Engenharia Mecânic