Otimização da qualidade no lingotamento contínuo de Tarugos através da utilização de modelos matemáticos

O processo de lingotamento contínuo tem sido empregado em larga escala na indústria do aço no mundo inteiro. A necessidade de elevados patamares de competitividade na indústria do aço tem levado à utilização cada vez mais frequente, por parte daqueles que utilizam lingotamento contínuo, de ferramentas de modelagem matemática da solidificação. A literatura possui diversas referências acerca da construção de modelos matemáticos da transferência de calor no lingotamento contínuo. Entretanto, ainda existem poucos trabalhos mostrando a utilização desses modelos na resolução de problemas metalúrgicos reais, como os de qualidade e estabilidade do processo. Dessa forma, o presente trabalho tem como objetivo empregar um modelo matemático de transferência de calor para propor melhorias em uma máquina de lingotamento contínuo utilizada na fabricação de tarugos de aço. Para a validação do modelo, foi realizado um comparativo de simulações com seis diferentes equações do coeficiente de transferência de calor (hg) disponíveis na literatura – três para o molde e três para a zona de sprays – com os dados reais da máquina. Foi desenvolvida ainda uma ferramenta de otimização da refrigeração secundária (com base no método de Nelder-Mead) que minimiza uma função custo integral construída especificamente para o processo de lingotamento contínuo. Os resultados das simulações com as nove combinações de equações de coeficientes de transferência de calor foram comparadas com dados reais de processo. Esse comparativo contemplou dados de pirometria na saída do molde, zona de sprays e zona de radiação livre, bem como avaliações com base em quatro critérios metalúrgicos de qualidade e processo, no qual foram utilizadas também macrografias de amostras de tarugos. A ferramenta de otimização se mostrou bastante eficiente na definição de parâmetros ótimos da refrigeração secundária, resultando em perfis de temperatura da superfície com baixos níveis de reaquecimento. As análises realizadas com o modelo de transferência de calor mostraram que a inclusão de mais uma zona de sprays (usando vazões por zona definidas pela ferramenta de otimização) e o incremento da seção quadrada para 130x130mm, reduzem a probabilidade de ocorrer trincas por reaquecimento e aumenta a probabilidade da formação uma estrutura equiaxial no centro do tarugo, respectivamente.The process of continuous casting has been employed on a large scale in the steel industry worldwide. The need for high levels of competitiveness in the steel industry has led to an increasingly use of modeling tools, including those of the continuous casting solidification process. The literature has many references about the construction of mathematical models of heat transfer in continuous casting. However, there are still few studies showing the use of these models to solve real metallurgical problems such as the product quality and process stability ones. The aim of the present work is to employ a heat transfer mathematical model to propose improvements in a continuous casting machine used in the production of steel billets. To validate the model, it was performed a comparative study of between simulations using six different equations for the heat transfer coefficient (hg) available in the literature - three for the mold and three for spray cooling - and the actual data from the machine. It was also developed an optimization tool for the secondary cooling zone (based on the Nelder-Mead method) which minimizes an integral cost function constructed specifically for the continuous casting process. Simulation results using all heat transfer equations combination were compared to real process data. This comparison included temperature data at all three zones (mold exit, spray cooling and radiation), as well as evaluations based on four metallurgical quality and process criteria, using billet macrographs. The optimization tool was very efficient in determining optimum parameters of secondary cooling, resulting in surface temperature profiles with low reheating levels. The analysis performed using the heat transfer model shown that the addition of one more sprays zone (using water flows by zone defined by the optimization tool) and the increase of square section to 130x130mm, reduce the likelihood of reheating midway cracks occurrence and increases the likelihood of forming an equiaxial structure at the center of the billet, respectively