ANÁLISE TÉRMICA NO REGIME PERMANENTE E TRANSIENTE DO ...



ANÁLISE TÉRMICA NO REGIME PERMANENTE E TRANSIENTE DO REVESTIMENTO REFRATÁRIO DE UM CARRO TORPEDO

Valdecir Antonio de Moraes

Fernando Lepsch

João Braha

E P R – Engenharia de Projetos Refratários / Carborundum

E P R – Engenharia de Projetos Refratários / Unicamp

Carborundum do Brasil Ltda.

Av. Independência, 7031 – São Mateus

CEP. 13280.000 - Vinhedo SP

valdecir@.br

RESUMO

Apresenta-se neste trabalho os resultados comparativos de uma Análise Térmica não linear em regime permanente e transiente do revestimento refratário em Carros Torpedo utilizado atualmente pelas Cias Siderúrgicas e um novo revestimento projetado pela Carborundum do Brasil Ltda. Trata-se de um revestimento refratário a ser aplicado em Carros Torpedo. Este equipamento é utilizado nas Indústrias Siderúrgicas para transporte de gusa, dos Alto Fornos para a Aciaria e é submetido a gradientes elevados de temperatura. A Análise em regime permanente foi realizada para três diferentes condições: Início, Meio e Fim de campanha do revestimento.

A principal diferença entre o Projeto Atual e o Projeto Proposto (novo revestimento) é a utilização de um material com baixa Condutibilidade Térmica, o qual possui uma capacidade de isolamento superior aos outros materiais, aumentando a eficiência do revestimento. Quanto menor é o calor perdido no final do transporte, maior é a eficiência do revestimento e menor é a energia gasta para aquecê-lo ao final do transporte.

Utiliza-se para a Análise o Método de Elementos Finitos na discretização e posterior resolução das equações que governam o problema térmico, através do programa ANSYS 5.5.1.

Palavras-chaves: Análise, refratário, Elementos Finitos, ANSYS

INTRODUÇÃO

Atualmente, motivados pela forte concorrência industrial os fabricantes tem buscado soluções cada vez mais otimizadas, com o intuito de reduzir custos, aumentando a segurança, conforto e principalmente a performance de seus produtos.

Este desafio tem sido confiado as equipes de engenharia que tem se tornado cada vez mais multidisciplinares sendo formado não só por engenheiros, mas também por economistas, físicos, matemáticos, etc.

Dentre muitas ferramentas disponíveis para o Cálculo e Análise de Estruturas mecânicas e meios contínuos em geral, o Método dos Elementos Finitos tem se destacado como sendo uma ferramenta de uso geral, eficaz e de alto desempenho dentro das empresas.

Motivados por este nova tecnologia, a Carborundum do Brasil Ltda., líder no mercado de Refratários de Alta Performance, continuamente preocupada em satisfazer seus clientes, vêm através de sua Engenharia de Projetos Refratários utilizar-se desta nova ferramenta, não apenas oferecendo simples produtos, mas também oferecer soluções tecnicamente comprovadas através do Método de Elementos Finitos.

Recentemente adquirido pela empresa, o programa ANSYS vêm continuamente sendo explorado pela equipe técnica de Refratários da Carborundum na área Térmica e Tensões Estruturais buscando desta forma, em parcerias com seus clientes, oferecer melhores produtos, projetos e solucionar com maior eficácia os problemas físicos e térmicos trazidos pelo cliente.

MODELOS GEOMÉTRICOS TRIDIMENSIONAL

Geometria

O modelo geométrico do Carro Torpedo é composto de uma estrutura em chapa de aço ao carbono, revestida por camadas de material refratário de segurança e revestimento refratário de trabalho. O modelamento tridimensional dos Carros Torpedos foram realizados em macro comandos do Ansys. Utilizou-se ¼ de simetria para a redução do tamanho do modelo não sendo considerado o modelamento da boca do Carro Torpedo. No total foram construídos 8 modelos: Projeto Atual e Proposto: modelos para o Início, Meio e Fim de campanha e um modelo para a Análise Transiente.

Malhas de Elementos Finitos

A partir da geometria gerada foi feita uma discretização usando-se Elementos sólidos tridimensionais hexaédricos de 8 nós (3-D THERMAL SOLID70). Os modelos foram gerados somente com volumes de 5 e 6 lados (total de 192 volumes por modelo) possibilitando a geração de Malhas totalmente Mapeadas. Na Figura 1, pode ser vista a malha adotada para Análise Térmica em Regime Permanente. Na Figura 2 e 3 são detalhados os diferentes tipos de materiais utilizados para o Projeto Proposto e o Projeto Atual, respectivamente.

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Fig.1: Malha adotada. (Vista Global)

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Figura 2: Diferentes materiais ( Projeto Proposto).

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Figura 3: Diferentes materiais ( Projeto Atual).

DESCRIÇÃO DOS MATERIAIS

Os materiais utilizados para o Revestimento de Segurança e de Trabalho do Carro Torpedo, bem como a carcaça metálica, são definidos na tabela 1, sendo sua utilização mostrada na Figura: 2 e 3.

|MATERIAL |DESIGNAÇÃO |

|Carcaça Metálica |Chapa de aço ao carbono |

|(32mm) | |

|Camada de Isolante Especial |Isolante Microporoso |

|Projeto atual (não existe) | |

|Projeto Proposto (5mm) | |

|Revestimento de Segurança |Tijolos Sílico Aluminoso |

|Cilindro e Cone (104mm) |45% Al2O3 |

|Tijolo Isolante –Calotas (114mm) | |

|Concreto de Regularização |Concreto Refratário |

|Cilindro e Cone - Projeto Atual (30mm) |Sílico Aluminoso |

|Cilindro e Cone - Projeto Proposto (25mm) | |

|Calota - Projeto Atual (147mm) | |

|Calota - Projeto Proposto (30mm) | |

|Revestimento de Trabalho |Tijolos em Alumina - |

| |Carbono – Carbeto Silício |

|Cilindro - Zona de Impacto (305mm) |Al2O3 C SiC |

|Cilindro – Linha de Escória (305mm) |Al2O3 C SiC |

|Cilindro – Demais Regiões (305mm) |Al2O3 C SiC |

|Cone – Linha de Escória (305mm) |Al2O3 C SiC |

|Cone – Demais Regiões (305mm) |Al2O3 C SiC |

|Calota – Arco Superior (229mm) |Al2O3 C SiC |

|Calota – Arco Inferior (229mm) |Al2O3 C SiC |

Tabela 1: Materiais usados no Projeto Atual e Proposto do Carro Torpedo

PROPRIEDADE DOS MATERIAIS

As propriedades dos materiais utilizadas para Análise Térmica, tanto para Regime Permanente como o Transiente, são mostradas nas tabelas 2.

Observa-se que vários materiais tem suas propriedades variando com a temperatura, sendo que alguns destes valores foram extraídos de resultados de laboratórios e outros de bibliografias.

|Temp. |Carcaça |Isolante Microporoso|SiAl |Concr. |Alfrax |Alfrax |Alfrax |Gusa |

|(oC) |de Aço | |45% |Si Al |Al2O3 C SiC |Al2O3 C SiC |Al2O3 C SiC | |

|600 |63,9 |0,034 |1,23 |0,86 |7,4 |7,1 |9,8 |54,7 |

|900 |63,9 |0,044 |1,27 |1,17 |7,9 |9,8 |10,4 |38,1 |

|1200 |63,9 |0,054 |1,35 |1,21 |8,2 |10,2 |10,9 |28,3 |

|1500 |63,9 |0,064 |1,40 |1,51 |8,6 |10,6 |11,3 |32,1 |

Tabela 2: Condutibilidade Térmica para os diferentes materiais ( W/m2 ).

|Chapa Aço |Isolante Microporoso|SiAl |Concr. |Alfrax |Alfrax |Alfrax |Gusa |

|Carbono | |45% |Si Al |Al2O3 C SiC |Al2O3 C SiC |Al2O3 C SiC | |

|7,85 |0,30 |2,30 |2,24 |2,88 |3,03 |3,09 |6,8 |

Tabela 3: Densidade dos Materiais ( g/cm3 ).

O valor do Calor Específico para todos os materiais Refratários é igual a 960 J/kg.K, para o Aço igual a 434 J/kg.k, para o Isolante microporoso igual a 1050 J/kg.K e para o Gusa é igual a 609 J/kg.K.

A partir das propriedades geométricas e do material do sistema, pode-se definir as condições de contorno para se realizar a análise desejada.

CONDIÇÕES DE CONTORNO ADOTADAS

Temperatura Ambiente = 40oC

Coeficiente de Transferencia de Calor (toda superfície) = 40 w/m2C

Temperatura interna, referente a região de contato entre o gusa e o Revestimento de Trabalho = 1500oC

ANÁLISE TÉRMICA EM REGIME PERMANENTE

Afim de determinar a distribuição de temperatura em uma seção representativa do Revestimento Refratário do Carro Torpedo, foi realizada uma Análise Térmica não linear em Regime Permanente de condução e convecção de calor. Foram executadas ao todo 6 (seis) Análises em Regime Permanente: Início, Meio e Fim de campanha para o Revestimento do Projeto Atual e Proposto.

As diferentes condições de campanha (Início, Meio e Fim) respectivamente, representam o estado do material (desgaste) em contato com o Gusa. Para o Início de campanha o material, em contato com o Gusa, tem uma espessura de 305mm, para o Meio de campanha 153mm e para o Fim de campanha 50mm.

O conjunto completo foi discretizado por 22640 elementos e 25734 nós, resultando em 23845 graus de liberdade para o Cálculo Térmico, levando-se em conta as restrições e o fato dos elementos possuírem um grau de liberdade por nó, a temperatura. Os resultados permitem a visualização da forma como é distribuída as temperaturas no interior de cada material.

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Figura 4: Projeto Atual Início de Campanha [oC]

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Figura 5: Projeto Proposto Início de Campanha [oC]

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Figura 7: Gráfico de Temperatura Projeto Atual

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Figura 8: Gráfico de Temperatura Projeto Proposto

COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS – REGIME PERMANENTE

Foi realizada uma comparação da temperatura da carcaça metálica (área externa) para as diferentes condições de campanha. A tabela abaixo mostra estes valores:

| |Inicio de campanha |Meio de campanha |Fim de campanha |

|Projeto Atual |235 |266 |290 |

|Projeto Proposto |148 |159 |166 |

Tabela 4: Temperatura média da carcaça ( oC )

A temperatura da carcaça no Projeto Proposto é 87oC menor que no Projeto Atual para a condição inicial de campanha, chegando a 125oC no fim de campanha.

A temperatura diminui aproximadamente 10 oC, no projeto proposto, do início para a metade de campanha e da metade para o fim de campanha, totalizando 20 oC. Já no projeto atual a diferença entre uma campanha e outra é de aproximadamente 30 oC, com uma diferença total de 60 oC.

Na tabela abaixo podemos observar os valores do fluxo de calor que atravessa a área externa do carro torpedo:

| |Inicio de campanha |Meio de campanha |Fim de campanha |

|Projeto Atual |7817 |9090 |10000 |

|Projeto Proposto |4370 |4790 |5090 |

Tabela 5: Fluxo de Calor médio da carcaça (W/m2 )

O revestimento proposto possui um fluxo de calor aproximadamente de 44% menor que o do projeto atual para o início de campanha, aumentando para 50% no fim de campanha. A variação do fluxo de calor em relação as condições de campanha chega a ser de 720 W/m2 do inicio para o fim de campanha do projeto atual e de 2183 W/m2 para o projeto atual.

Através dos gráficos Fig. 6 e 7, pode-se observar que a variação de temperatura é cerca de 100% maior nos materiais do projeto atual do que nos do projeto proposto, exceto pelo isolante microporoso. Como exemplo, para o material Al2O3 C SiC , a variação de temperatura de uma extremidade a outra (305 mm – início de campanha) é de 450oC para o projeto atual , enquanto que nas mesmas condições para o projeto proposto, a variação chega a 200 oC.

A temperatura da carcaça varia em torno de 15 oC dependendo do material que é composto o revestimento de trabalho ,da região do carro torpedo e de sua geometria.

ANÁLISE TÉRMICA TRANSIENTE

Afim de determinar a variação de temperatura do Revestimento Refratário do Carro Torpedo foi realizada uma Análise Térmica Transiente de condução e convecção de calor. O tempo da Análise é de aproximadamente 3 horas (Transporte do Gusa: Alto Forno até a Aciaria) e deseja-se saber qual será a perda de calor ao final do ciclo, bem como o perfil de temperatura do mesmo.

De acordo com as diretrizes fornecidas pela equipe da Engenharia de Aplicação de Refratários, adotou-se as seguintes condições de contorno:

Temperatura média do ambiente = 40 oC

Coeficiente de Transferencia de Calor (toda superfície) = 40 w/m2C

Temperatura inicial de cada material. (Ver tabela 2)

|Chapa Aço |Isolante Microporoso|SiAl |Concr. |Alfrax |Alfrax |Alfrax |Gusa |

|Carbono | |45% |Si Al |Al2O3 C SiC |Al2O3 C SiC |Al2O3 C SiC | |

|250 |600 |800 |900 |1000 |1000 |1000 |1500 |

Tabela 6: Temperatura inicial dos materiais [oC]

O conjunto completo foi discretizado por 13392 elementos e 14874 nós, resultando em 14874 graus de liberdade para o Cálculo Térmico, levando-se em conta as restrições e o fato dos elementos possuírem um grau de liberdade por nó, a temperatura.

COMPARAÇÃO DOS RESULTADOS REGIME TRANSIENTE

Foi realizada uma comparação do Fluxo de Calor que atravessa a área externa do Carro Torpedo dos dois Projetos. Os resultados da tabela abaixo foram calculados pela média do Fluxo de Calor de cada nó da área externa da carcaça.

| Projeto |Fluxo de Calor |

| |(W/m2) |

|ATUAL |6567 |

|PROPOSTO |3467 |

Tabela 7: Comparação dos Resultados

O revestimento proposto possui um fluxo de calor 44% menor que o do projeto atual para o início de campanha.

Foi realizada uma comparação da Temperatura da carcaça metálica do Carro Torpedo nos dois Projetos. Os resultados da tabela abaixo foram calculados pela média da Temperatura de cada nó da área externa da carcaça.

|Projeto |Temperatura |

| |(oC) |

|ATUAL |238 |

|PROPOSTO |140 |

Tabela 8: Comparação dos Resultados

O revestimento proposto possui uma temperatura de face fria 41% menor que o projeto atual para o início de campanha.

CONCLUSÃO

De acordo com os resultados obtidos através de simulações numéricas tanto para o modelo tridimensional em regime permanente e transiente, o Revestimento Refratário do Projeto Proposto mostrou-se mais eficiente que o Projeto Atual em todos os aspectos, devido ao desempenho do isolante microporoso.

O Projeto Proposto possui um fluxo de calor 44% menor nas duas análises (Regime Permanente e Transiente) em comparação com o Projeto Atual. A diminuição da perda de calor pelo material refratário permite uma maior conservação de calor no Carro Torpedo reduzindo a energia gasta, mantendo o interior do revestimento com temperatura estável ao final de cada ciclo, além de permitir um maior tempo de permanência do Gusa no Carro Torpedo.

A temperatura externa do Carro no Projeto Proposto é aproximadamente 40% menor do que no Projeto Atual. Esta diferença pode variar de 90oC no Inicio de campanha para as duas Análises, chegando até 125oC no Fim de campanha, o que permite melhores condições de trabalho e operações do equipamento.

O Projeto Proposto apresenta também uma melhor condição de “Encharque de Temperatura” no Revestimento de Trabalho, tendo assim como benefício, menor desgaste por “spalling” térmico e menor aderência do cascão ao Revestimento.

A simulação através de Elementos Finitos mostrou-se extremamente satisfatória em relação a situação física real, pois dados de campos fornecidos pela Cia Siderúrgica através de monitoramento das temperaturas de carcaça com equipamentos adequados ( Radiômetro Infra-vermelho), foram validados com os resultados obtidos neste trabalho. A temperatura da carcaça do carro torpedo medida pela Siderúrgica foi de 230oC enquanto que através da simulação obteve-se 238oC, com um erro de 3%.

• Fundamentals of Heat and Mass Transfer

Frank P. Incropera

David P. DewWitt

Fourth Edition

• Ansys Analisys Guides

• Smarttech ( Suporte e Consultoria )

ABSTRACT

This paper shows comparative results on a non-linear thermal analisys, stationary and transient situations of a torpedo car lining. This equipment is used in siderurgic plants to transport the pig iron into the steel shop, and is submited to high temperatures and transient conditions. The stationary condition was studied in three parts: Beggining, midle and end of refractory lining. The main difference between the actual project and the new proposal (with a new refractory composition ) is the insulation, wich makes more cost effective the refractory linning for this process, with less heat looses and consequently more energy savings .

This study was done with use of ANSYS 5.5.1 – finit element analisys software

Key words: analisys, refractory, finit element, Ansys

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Concreto de Regularização

(30mm)

Sílico Aluminoso 45%

(104mm)

Al2O3 C SiC

(Linha Metal)

(305m)

Al2O3 C SiC

(Impacto)

(305m)

Al2O3 C SiC

(Linha Metal)

(305m)

Al2O3 C SiC

(Linha Metal)

(305m)

Al2O3 C SiC

(Linha Metal)

(305m)

Al2O3 C SiC

(Impacto)

(305m)

Carcaça Metálica

(32mm)

Concreto de Regularização

(25mm)

Carcaça Metálica

(32mm)

Isolante

Microporoso

(5mm)

Sílico Aluminoso 45%

(104mm)

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