Com o intuito de minimizar os defeitos superficiais em tarugos do lingotamento contínuo, realizou-se o estudo do comportamento das variáveis de oscilação frente aos defeitos superficiais tipo trincas transversais. Buscou-se ao longo deste trabalho, caracterizar as diferentes condições de oscilação em modo de operação diferenciado, com frequência e tempo de estripamento negativo constante em função da velocidade de lingotamento. Foram avaliadas as características físicas e químicas da região no entorno das marcas de oscilação, identificando a distância, profundidade e largura das marcas. As análises utilizadas foram macrografia, micrografia e ensaio não destrutivo de partículas magnéticas nos tarugos e no produto laminado. Os resultados mostram que elevados tempos de estripamento negativo formam marcas mais profundas que, por consequência, impactam na nucleação de sítios de fragilidade para a propagação de trincas transversais. Foi caracterizada a microestrutura das marcas onde foi possível evidenciar a formação dos ganchos e verificar a presença de elementos danosos à qualidade do produto. / In order to minimize surface defects in continuous casting billets the behavior of the variables compared to the oscillating surface defects – transversal cracks – was carried out. It was tried to characterize the different conditions of oscillation (frequency and negative strip time) dependent on the casting speed. It was evaluated the physical and chemical characteristics in the vicinity of the oscillation marks, identifying the distance, depth and width of marks. The analyses used were macrograph, micrograph and non-destructive testing of magnetic particles on billets and rolled products. The results show that highly negative strip time will cause deeper marks and consequently impact in nucleation sites of fragility for propagation of transversal cracks. It was characterized the microstructure of oscillation marks where it was possible to observe the formation of hooks and verify the presence of harmful elements to quality.

A qualidade SAE 1141 alia boas conformabilidade e usinabilidade em um mesmo aço – esta qualidade possui adição de teores de enxofre da ordem de 0,08 – 0,13% em peso. É largamente empregada no segmento de forjarias na confecção de componentes com relativa complexidade e exigência mecânica, tais como garfos e ponteiras para a indústria automotiva. Devido a esse fato, é imprescindível que a matéria-prima para a conformação destes componentes atenda às exigências impostas pelos esforços aplicados aos mesmos e, dado às solicitações que sofrem, apresente um desempenho satisfatório em sua forma final, principalmente no tocante à sanidade interna, visto que defeitos dessa natureza são extremamente deletérios à performance dos componentes conformados. Em função disso, o principal objetivo desta investigação é avaliar as causas potencialmente geradoras de defeitos denominados trincas internas centrais, as quais afetam fortemente a sanidade interna da matéria-prima, além de reduzir a sua incidência em barras de aço da qualidade SAE 1141. Para tanto, são apresentadas considerações sobre a avaliação destes defeitos, analisando-se as possíveis causas geradoras das trincas, as quais são caracterizadas sob o enfoque de bibliografia adequada. Através da realização de ensaios no lingotamento contínuo (LC) envolvendo a utilização do agitador eletromagnético final (FEMS), elaboração de curvas de ductilidade pelo emprego do simulador físico Gleeble para os materiais nas condições tarugo e barra laminada, experiências na laminação envolvendo análises de amostras após cada diferente grau de redução ou passe conferido ao material pelo processo e variação das taxas de resfriamento pós-processamento, busca-se reduzir as ocorrências destes defeitos, diminuindo conseqüentemente sucateamento e custos e melhorando o desempenho do material frente às expectativas dos componentes em serviço. A metodologia empregada para a detecção dos defeitos nas barras laminadas foi a submissão das mesmas ao ultra-som. Várias amostras tiveram os seus defeitos detectados através desse ensaio, os quais foram analisados e caracterizados previamente ao início da investigação das causas geradoras, balizando assim a tomada de decisão em relação aos experimentos a serem realizados. Os dados práticos foram obtidos na Gerdau Aços Especiais Piratini, onde a análise de defeitos internos gerados a partir do processo produtivo é um procedimento rotineiro. A interpretação dos resultados, bem como testes laboratoriais adicionais foram realizados na própria usina e no IAS – Instituto Argentino de Siderurgia. Em paralelo, realizou-se uma revisão na literatura aberta dos principais fundamentos e conceitos metalúrgicos referentes a trincas internas e causas de geração das mesmas, tais como, influência do FEMS na solidificação e na condição de segregação nos tarugos de LC, elementos de liga com caráter fragilizante e/ou deletério (por exemplo, hidrogênio, carbono, enxofre e manganês), influência das transformações de fase – velocidade de resfriamento pós-processamento e influência dos elementos de liga – na formação dos defeitos, entre outros. Os resultados obtidos permitiram concluir que a principal causa da geração das trincas internas do tipo centrais em barras laminadas está associada a uma combinação de variáveis. As transformações de fase, somadas a presença de altos teores de hidrogênio no aço – fato este de grande importância na geração dos defeitos detectado somente ao longo da realização do trabalho – fragilizam localmente o núcleo das barras, gerando trincas. Estas, por sua vez, têm a sua propagação facilitada através de cadeias ou redes de sulfeto de manganês, por vezes devido à alta incidência das mesmas nos aços da qualidade SAE 1141. Além disso, pode-se constatar que a geração dos defeitos é potencializada para barras de diâmetros superiores a 75,00 mm. Em barras de diâmetros menores, as falhas estão igualmente presentes e apresentam morfologia similar aos defeitos encontrados nas barras de maior diâmetro, porém, em escala não significativa, não sendo assim abordadas neste trabalho. Pode-se constatar ainda, que a redução da incidência dos defeitos do tipo trincas internas centrais em barras laminadas de diâmetros superiores a 75,00 mm – e conseqüente sucateamento – foi da ordem de mais de 95% desde o início do trabalho, reduzindo-se assim o sucateamento desta qualidade para níveis da ordem de, aproximadamente, 1,0%.

Um processo competitivo no mercado atual exige a união de qualidade e produtividade. Além disto, o aumento da eficiência dos processos vem ao encontro da atual preocupação com os impactos ambientais das atividades produtivas, principalmente no que concerne ao uso de combustíveis fósseis. O objetivo principal deste estudo foi verificar a possibilidade de aumento da produtividade de um forno de reaquecimento, passando de 42 para 45 toneladas por hora de tarugos de aço com qualidade similar à AISI/SAE 52100. Para esta finalidade, foram efetuadas simulações numéricas dos ciclos de reaquecimento utilizando um aplicativo computacional. Inicialmente foi efetuada uma revisão da bibliografia referente ao assunto, seguindo-se de um trabalho prático que constou de um procedimento de instrumentação em um tarugo com qualidade similar à de um aço AISI/SAE 52100 para obtenção de dados reais do processo de reaquecimento e sua utilização para verificação do comportamento do software utilizado e, por fim, simulações numéricas com dois diferentes tempos de reaquecimento, relativos a uma produção de 42 e 45 toneladas por hora. Considerando-se o perfil térmico do tarugo de aço, obtido a partir das simulações, verificou-se que o equipamento em questão encontra-se próximo aos limites de produtividade. Diminuições no tempo de reaquecimento, ou seja, aumentos na taxa de produção, provavelmente comprometeriam a qualidade do processo e do produto. / A productive process to be competitive requires the union of quality and productivity. Furthermore, the increased efficiency of processes encounters the current concern with the environmental impacts of production activities, particularly with regard to fossil fuels consumption and emissions. The main objective of this study was to investigate the possibility of increasing the productivity of a reheating furnace from 42 to 45 tons per hour of AISI/SAE 52100 steel billets. For this purpose, numerical simulations of reheating cycles were performed using a computer application. Initially a literature review on the subject was performed, followed by a practical work that consisted of a instrumentation procedure in a AISI / SAE 52100 billet to obtain real data from reheating process. This data was used to validate the numerical simulation and, finally, two different reheating times relating to a production of 42 and 45 tons per hour were simulated. Considering the thermal profile obtained from the simulations, it is likely that the furnace is within its productivity limits. Reductions in the reheat time, thus increasing the production rate, are likely to compromise the quality of the final product.

Este trabalho possui como objetivo a realização da simulação numérica do escoamento no interior de um modelo físico da estação de refino secundário Rurhstal-Heraeus (RH). Buscase estabelecer uma metodologia que, utilizando as ferramentas da fluidodinâmica computacional, reproduza as principais características de tal escoamento, especialmente a taxa de circulação e a distribuição de gás na perna de subida. A literatura sobre a modelagem do RH, tanto experimental quanto matemática, é revisada e comentada, com destaque para os principais desafios na simulação dos escoamentos multifásicos. Na simulação do escoamento, foi avaliada a influência de três aspectos da modelagem numérica: modelo de turbulência (modelos k-ε e k-ω), coeficiente de arrastos (modelos de Ishii-Zuber e Grace) e forças de nãoarrasto (massa virtual, sustentação e dispersão turbulenta). O escoamento é solucionado para diversas combinações de tais modelos e seus resultados são comparados com dados da literatura. Dessa comparação concluiu-se que a solução numérica é altamente dependente do modelo de turbulência - foram verificadas grandes alterações na distribuição de gás na perna de subida. O emprego do modelo k-ε mostrou proporcionou maior concordância com o experimento. Em contraste, as alterações na solução numérica em função de diferenças no coeficiente de arrasto e presença de forças de não-arrasto foram pouco significativas. Em todos os casos simulados, a taxa de circulação calculada numericamente diferiu dos dados experimentais. Observou-se o fenômeno de saturação de tal taxa, mas, no entanto, acredita-se que o mecanismo visto na solução numérica e no experimental possuam naturezas distintas. / The purpose of the present work is to evaluate the numerical simulation of the flow in a physical model of secondary refining station Rurhstal-Heraeus (RH). Employing computational fluid dynamics tools, a set of methods is sought in order to reproduce the main features of such flow, focusing mainly the circulation rate and the gas holdup in the upleg. Both physical and mathematical modeling literature are reviewed and commented, highlighting the main challenges of multiphase flow modeling. The effects of three aspects of numerical simulation are weighted: turbulence modeling (k-ε and k-ω models), drag force coefficient (Ishii-Zuber and Grace models) and non-drag forces (virtual mass, lift and turbulent dispersion). The flow is solved using several combinations of those models and the results are subjected to comparison with experimental data. From this comparison, it is verified a major dependence between the numerical solution and the turbulence model adopted - remarkable differences were observed on the gas holdup in the upleg. The employment of k-ε model shown better agreement with experimental data. The influence of different drag coefficients and action of non-drag forces was by far less important. In every numerically solved flow condition, the circulation rate was in disagreement with the experimental data. The saturation behavior has been observed in the numerical solution, although in a diverse fashion of the physical model.

No desenvolvimento de aços de superior usinabilidade e propriedades mecânicas existe a necessidade de aprofundar o entendimento dos fenômenos de formação de inclusões não-metálicas. As inclusões, quando não controladas, deterioram as propriedades mecânicas e metalúrgicas dos aços. O presente trabalho tem como objetivo geral o estudo experimental e termodinâmico da modificação de inclusões durante o tratamento com cálcio para os aços SAE 1141 e SAE 8620. A metodologia consistiu de: a) realizar a caracterização do aço e inclusões não-metálicas em amostras coletadas em um distribuidor de LC de uma aciaria elétrica; b) estudo termodinâmico computacional; c) experimentos em forno resistivo de laboratório. Foram utilizadas duas abordagens no estudo termodinâmico. A combinação delas permitiu um estudo mais completo da formação das inclusões de óxidos e sulfetos. No geral, pode-se observar uma boa concordância entre os resultados simulados via FactSage e aqueles obtidos por análise de MEV/EDS, principalmente para os experimentos com teores de Al2O3 mais elevados nas inclusões. Quanto aos objetivos propostos, pode-se concluir que: 1) Adaptaram-se com sucesso as metodologias apresentadas pela literatura no estudo de formação e modificação de inclusões pelo cálcio para os aços SAE 1141 e SAE 8620. 2) Obteve-se o perfil inclusionário para os aços SAE 1141 e SAE 8620 tratados com cálcio, tanto de amostras obtidas na planta quanto de amostras obtidas em laboratório. Além disso, os resultados obtidos através de termodinâmica computacional foram validados com os resultados via MEV/EDS. 3) Foi possível estabelecer um estudo termodinâmico para fornecer o equilíbrio de fases formadas nas inclusões, para as condições de tempo de processo, composição química e temperatura dos aços SAE 1141 e SAE 8620. 4) Foi possível verificar que o sistema atinge o equilíbrio termodinâmico em até 01 minuto após a adição de CaSi nos experimentos em laboratório dos aços SAE 1141 e SAE 8620. Para as condições experimentais adotadas, não se observou a influência de mecanismos cinéticos na formação e modificação de inclusões. / In the development of steels of superior machinability and mechanical properties there is a need to deepen the understanding of the phenomena of non-metallic inclusion formation. The inclusions, when not controlled, are detrimental for the mechanical and metallurgical properties of steels. The present work aims at the experimental and thermodynamic study of inclusion modification during calcium treatment for SAE 1141 and SAE 8620 steels. The methodology consisted of: a) to carry out characterization of steel and non-metallic inclusions in samples collected in a continuous casting tundish of electric steelmaking; b) a computational thermodynamic study; c) experiments in laboratory resistive furnace. Two approaches were used in the thermodynamic study. The combination of these approaches allowed a more complete study of the oxide and sulphide inclusion formation. In general, a good agreement can be seen between the results simulated by FactSage and those obtained by SEM/EDX analysis, mainly for the experiments with higher Al2O3 contents in inclusions. Concerning the proposed aims, it can be concluded that: 1) The methodologies presented by the literature adapted successfully to the study of formation and modification of inclusions by calcium for the SAE 1141 and SAE 8620 steels. 2) The inclusionary profile for the SAE 1141 and SAE 8620 steels treated by calcium was obtained, considering samples in laboratory and steelmaking facilities. Furthermore, the obtained results through computational thermodynamics were validated with the results by SEM/EDX. 3) It was possible to establish a thermodynamic study to provide the equilibrium of phases formed in the inclusions, to the process time conditions, chemical composition and temperature of SAE 1141 and SAE 8620 steels. 4) It was possible to verify that the system reached the thermodynamic equilibrium in about 01 min after CaSi alloying in laboratory experiments of SAE 1141 and SAE 8620 steels. For the adopted experimental conditions, the influence of kinetics mechanisms in inclusion formation and modification was not observed.

Com o intuito de minimizar os defeitos superficiais em tarugos do lingotamento contínuo, realizou-se o estudo do comportamento das variáveis de oscilação frente aos defeitos superficiais tipo trincas transversais. Buscou-se ao longo deste trabalho, caracterizar as diferentes condições de oscilação em modo de operação diferenciado, com frequência e tempo de estripamento negativo constante em função da velocidade de lingotamento. Foram avaliadas as características físicas e químicas da região no entorno das marcas de oscilação, identificando a distância, profundidade e largura das marcas. As análises utilizadas foram macrografia, micrografia e ensaio não destrutivo de partículas magnéticas nos tarugos e no produto laminado. Os resultados mostram que elevados tempos de estripamento negativo formam marcas mais profundas que, por consequência, impactam na nucleação de sítios de fragilidade para a propagação de trincas transversais. Foi caracterizada a microestrutura das marcas onde foi possível evidenciar a formação dos ganchos e verificar a presença de elementos danosos à qualidade do produto. / In order to minimize surface defects in continuous casting billets the behavior of the variables compared to the oscillating surface defects – transversal cracks – was carried out. It was tried to characterize the different conditions of oscillation (frequency and negative strip time) dependent on the casting speed. It was evaluated the physical and chemical characteristics in the vicinity of the oscillation marks, identifying the distance, depth and width of marks. The analyses used were macrograph, micrograph and non-destructive testing of magnetic particles on billets and rolled products. The results show that highly negative strip time will cause deeper marks and consequently impact in nucleation sites of fragility for propagation of transversal cracks. It was characterized the microstructure of oscillation marks where it was possible to observe the formation of hooks and verify the presence of harmful elements to quality.

A busca da melhoria de produtos siderúrgicos leva uma atenção especial para a área da aciaria. Neste trabalho foram estudados os fatores que dificultam o controle da temperatura do aço líquido dentro das faixas objetivadas para o lingotamento contínuo. Esse descontrole tende a afetar negativamente a qualidade do aço. A exigência crescente é pelo controle em faixas cada vez mais restritas, necessitando para tal, um controle rígido da temperatura nas etapas do refino secundário que antecedem o lingotamento. Este trabalho buscou identificar as causas do descontrole de temperaturas mediante a observação “in loco” do processo da aciaria e propor soluções tecnológicas específicas, visto que cada aciaria tem as suas peculiaridades. Para tanto, desenvolveu-se um método para garantir a qualidade das informações do processo e a utilização dessas na previsão das perdas térmicas do aço líquido durante a etapa de desgaseificação e lingotamento contínuo. Um modelo matemático das panelas, desenvolvido e calibrado com dados obtidos na planta, é apresentado como uma solução para a estabilização das perdas térmicas que ocorrem para os refratários das panelas. Por fim, um sistema de aquecimento das válvulas submersas do distribuidor do lingotamento contínuo é proposto, ensaiado e aprovado com ótimos resultados. Todas as soluções encontradas estão sendo diretamente implementadas na aciaria.

Esse trabalho tem por objetivo geral o desenvolvimento de uma metodologia de modelagem numérica que represente o escoamento e o fenômeno de mistura em um modelo físico de panela de aciaria de base elíptica. Os objetivos específicos do trabalho são: o estudo dos coeficientes das forças de interação líquido-bolha, dos modelos de turbulência e da mudança do formato da base da panela de circular para elíptica. O escoamento e o fenômeno de mistura foram calculados através do método de Volume Finitos baseado em Elementos por meio do software CFX5.7 da Ansys. Dados da literatura e ensaios em modelo físico, realizados em laboratório, auxiliaram na validação dos modelos numéricos. O estudo dos coeficientes das forças de não-arrasto mostrou que os resultados da distribuição de ar ao longo da altura do banho mudam com a variação dos coeficientes. No final, coeficientes para 3 configurações de panelas em diferentes vazões de ar foram encontrados. Com relação ao estudo dos modelos de turbulência, observou-se que para a solução do escoamento e do fenômeno de mistura em uma panela de base circular, o k-ε é o modelo de turbulência mais indicado. Por outro lado, para uma panela de base elíptica, o modelo RSM mostrou-se o mais adequado. Finalmente, com relação ao estudo da mudança do formato da base da panela, observou-se que os tempos de mistura de uma panela de base elíptica são maiores que uma de base circular e aumentam à medida que a vazão de ar diminui.

Esse trabalho tem por objetivo geral o desenvolvimento de uma metodologia de modelagem numérica que represente o escoamento e o fenômeno de mistura em um modelo físico de panela de aciaria de base elíptica. Os objetivos específicos do trabalho são: o estudo dos coeficientes das forças de interação líquido-bolha, dos modelos de turbulência e da mudança do formato da base da panela de circular para elíptica. O escoamento e o fenômeno de mistura foram calculados através do método de Volume Finitos baseado em Elementos por meio do software CFX5.7 da Ansys. Dados da literatura e ensaios em modelo físico, realizados em laboratório, auxiliaram na validação dos modelos numéricos. O estudo dos coeficientes das forças de não-arrasto mostrou que os resultados da distribuição de ar ao longo da altura do banho mudam com a variação dos coeficientes. No final, coeficientes para 3 configurações de panelas em diferentes vazões de ar foram encontrados. Com relação ao estudo dos modelos de turbulência, observou-se que para a solução do escoamento e do fenômeno de mistura em uma panela de base circular, o k-ε é o modelo de turbulência mais indicado. Por outro lado, para uma panela de base elíptica, o modelo RSM mostrou-se o mais adequado. Finalmente, com relação ao estudo da mudança do formato da base da panela, observou-se que os tempos de mistura de uma panela de base elíptica são maiores que uma de base circular e aumentam à medida que a vazão de ar diminui.

Esse trabalho tem por objetivo geral o desenvolvimento de uma metodologia de modelagem numérica que represente o escoamento e o fenômeno de mistura em um modelo físico de panela de aciaria de base elíptica. Os objetivos específicos do trabalho são: o estudo dos coeficientes das forças de interação líquido-bolha, dos modelos de turbulência e da mudança do formato da base da panela de circular para elíptica. O escoamento e o fenômeno de mistura foram calculados através do método de Volume Finitos baseado em Elementos por meio do software CFX5.7 da Ansys. Dados da literatura e ensaios em modelo físico, realizados em laboratório, auxiliaram na validação dos modelos numéricos. O estudo dos coeficientes das forças de não-arrasto mostrou que os resultados da distribuição de ar ao longo da altura do banho mudam com a variação dos coeficientes. No final, coeficientes para 3 configurações de panelas em diferentes vazões de ar foram encontrados. Com relação ao estudo dos modelos de turbulência, observou-se que para a solução do escoamento e do fenômeno de mistura em uma panela de base circular, o k-ε é o modelo de turbulência mais indicado. Por outro lado, para uma panela de base elíptica, o modelo RSM mostrou-se o mais adequado. Finalmente, com relação ao estudo da mudança do formato da base da panela, observou-se que os tempos de mistura de uma panela de base elíptica são maiores que uma de base circular e aumentam à medida que a vazão de ar diminui.