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Análise da influência de parâmetros geométricos da válvula submersa na turbulência superficial em moldes de lingotamento contínuo através de simulações numéricas.
(2022) Ribeiro, Rodrigo Garcia; Silva, Carlos Antônio da; Peixoto, Johne Jesus Mol; Silva, Carlos Antônio da; Peixoto, Johne Jesus Mol; Lemos, Leandro Rocha; Gabriel, Weslei Viana
Este trabalho objetivou calibrar um modelo de simulação fluidodinâmica para um molde de Lingotamento Contínuo a partir de dados experimentais de um modelo em água, e utilizar este modelo de simulação para estudar a influência tanto do raio interno superior da porta como da profundidade do recuo da Válvula Submersa (SEN) na oscilação superficial do molde. Os dados experimentais foram obtidos através de um modelo em água de escala 0,6:1, de onde se obteve a medição dos tamanhos de bolhas de ar, bem como a medição da oscilação superficial através de sensores ultrassônicos e o comportamento fluidodinâmico através de espalhamento de corante. Os experimentos realizados mostram que a vazão de ar injetada no molde não influencia a distribuição estatística de tamanhos de bolhas do modelo físico. Os experimentos também permitiram extrair distribuições estatísticas de tamanho de bolhas que serviram como input para as simulações numéricas. A comparação dos resultados obtidos dos experimentos permitiu também selecionar um conjunto de forças interfásicas que representasse mais fidedignamente na simulação o comportamento do escoamento e do espalhamento de bolhas no modelo físico. Dentre as combinações de forças interfásicas simuladas, a combinação de Força de Massa Virtual com Força de Gradiente de Pressão apresentou os resultados mais coerentes com os dados experimentais. Sobre análise da influência do raio interno superior da porta, observou-se que, para valores pequenos de raio, a oscilação superficial é intensificada. Por outro lado, observou-se redução considerável da oscilação superficial quando adotado um raio de 20mm. Em relação à análise da profundidade de recuo do fundo da SEN, a geometria sem nenhum recuo apresentou oscilação de superfície menos intensa do que a geometria de referência (recuo de 6,1mm). No entanto, quando se aumenta a profundidade de recuo em relação à profundidade de referência (6,1mm), a oscilação superficial é amenizada, com a configuração de profundidade de recuo de 9mm apresentando a maior redução na oscilação superficial.
Análise da turbulência e do comportamento metal-escória no interior de um reator RH e sua influência sobre a reação de dessulfuração do aço.
(2019) Peixoto, Johne Jesus Mol; Silva, Carlos Antônio da; Silva, Itavahn Alves da; Silva, Itavahn Alves da; Lemos, Leandro Rocha; Silva, Guilherme Liziero Ruggio da; Assis, Paulo Santos
A dessulfuração do aço pode ser realizada pela adição de material dessulfurante na câmara de vácuo do desgaseificador RH. Foram realizados modelamentos físico e matemático de um reator RH visando melhor entender quais parâmetros mais interferem na cinética da dessulfuração do aço. As várias combinações analisadas incluem a imersão das pernas, a vazão de gás, fluido similar ao aço (água ou solução salina) e diferentes óleos para simular a escória. Os ensaios, referentes ao modelamento físico, incluíram: determinação da taxa de circulação via método de ponte de strain gages (MPSG), condutivimetria e aplicação da técnica de velocimetria PIV (Particle Image Velocimetry); simulação no modelo físico (escala 1:7,5) do processo de adição de material dessulfurante na câmara de vácuo, avaliando o tempo de residência, o tamanho das gotas de material arrastadas pelo fluxo e a taxa de transferência de massa de timol. Por meio de simulação numérica do fluxo bifásico pôde-se prever a influência das variáveis operacionais sobre a taxa de circulação. Foi possível determinar a taxa de circulação quando se utiliza solução salina para simular o aço utilizando-se o MPSG, sendo o método validado com resultados de taxa de circulação de água obtidos pelo método da condutivimetria, comumente empregado. Notou-se que o emprego da solução salina elevou a taxa de circulação de modo proporcional ao aumento na densidade (cerca de 20%), indicando pouca influência sobre os valores de velocidade do líquido no interior do modelo. A imersão das pernas não afetou significativamente a taxa de circulação, enquanto a vazão de gás influenciou por uma função de potência (Qc ∝ G1/3). A influência do formato do vaso inferior (cilíndrico ou retangular) sobre a taxa de circulação foi desprezível, corroborando a utilização do vaso inferior em formato retangular para medição do diâmetro das gotas de óleo arrastadas. A redução da viscosidade do óleo e o aumento na diferença de densidade entre os fluidos resultaram em considerável diminuição do diâmetro médio das gotas de óleo arrastadas da câmara de vácuo para a panela. Foi observado ainda um prolongamento no tempo de residência do material na câmara de vácuo para maiores diferenças de densidade e menores vazões de gás. Testes de transferência de massa entre água e óleo no modelo físico resultaram numa extração em torno de 15%, 2min após a adição do material na câmara de vácuo. Porém, a baixa diferença de densidade entre o óleo e a água não permitiu inferir a influência da vazão de gás sobre a taxa de transferência de massa. A distribuição do gás na perna de subida e os valores de taxa de circulação previstos via simulação numérica foram validados pelos resultados do modelo físico.A melhor predição da taxa de circulação, da penetração e distribuição do gás foi obtida na simulação com incorporação da força de massa virtual (coeficiente igual 0,25) e força de dispersão turbulenta, adotando o modelo da média de Favre (ponderada pela massa) da força de arraste. A força de lubrificação das paredes deve ser utilizada para evitar o acúmulo de gás próximo às paredes da perna, mas seu efeito sobre a taxa de circulação foi desprezível. Em simulações do sistema aço/argônio, a expansão das bolhas de gás devido à queda de pressão foi considerada, resultando em aumento nos valores de taxa de circulação previsto pelo modelo numérico. A partir da análise de dispersão de escória no interior do aço líquido e resultados numéricos, foi possível adaptar um modelo cinético para estimar taxa dessulfuração pela adição de material dessulfurante na câmara de vácuo do reator RH. O modelo sugere ser possível alcançar um grau de dessulfuração entre 19% e 33%.
Análise multivariada e redes neurais aplicadas na predição de projeção no BOF.
(2020) Loiola, Bruna Helena Malovini; Silva, Carlos Antônio da; Furtado, Henrique Silva; Bernardes, Américo Tristão; Silva, Carlos Antônio da; Lemos, Leandro Rocha; Peixoto, Johne Jesus Mol; Bernardes, Américo Tristão
A projeção de escória pode acontecer durante o processo de refino do ferro gusa no BOF devido à formação de um volume excessivo de emulsão gás-metal-escória, que, ao crescer além da capacidade do convertedor, expele grande porção da escória e metal. Assim, são gerados problemas recorrentes para a operação, como refino menos efetivo, menor rendimento metálico, danos ao equipamento, e principalmente, poluição ambiental devido aos gases que são emitidos no momento da projeção. O objetivo deste estudo foi criar um modelamento matemático para prever a ocorrência de projeção em corridas dos convertedores BOF. Este projeto se baseia em análise multivariada de Big Data a qual permitiu identificar as variáveis de operação que mais influenciam no fenômeno projeção, dentre as quais estão o peso de briquete misto e de dunito adicionados durante o sopro, e concentração de silício presente no gusa. Além disso, foi possível treinar redes neurais artificiais em linguagem Python o que gerou um modelo de predição com confiabilidade de 96%.
Aumento da eficiência de dessulfuração do gusa líquido em um reator Kanbara.
(2011) Lemos, Leandro Rocha; Silva, Carlos Antônio da; Silva, Itavahn Alves da; Mansur, Filipe; Seshadri, Varadarajan; Kirmse, Odair José
São analisados os efeitos de parâmetros operacionais sobre o desempenho de dessulfuração do gusa líquido num reator Kanbara à luz de modelagens matemática e física do processo, no qual são considerados o tamanho das partículas do reagente dessulfurante no banho, forma, profundidade de imersão, posicionamento e velocidade de rotação do agitador mecânico. As condições de dispersão do reagente são estudadas via modelagem física, e a necessidade de se incorporar a distribuição espacial no modelo é discutida. Abordam-se as implicações teóricas e práticas da descentralização do impelidor. Os resultados industriais mostram-se em concordância com os previstos por um modelo matemático que despreza as complexidades de maior ordem e permitem evidenciar a importância da velocidade de rotação e da granulometria do reagente.
Avaliação do efeito da substituição do inibidor de turbulência por barragens e do posicionamento da válvula longa de um distribuidor sobre a remoção de inclusões.
(2023) Galante, Gustavo Santos; Peixoto, Johne Jesus Mol; Reis, Rafael Fernandes; Peixoto, Johne Jesus Mol; Silva, Carlos Antônio da; Lemos, Leandro Rocha; Reis, Rafael Fernandes
A limpidez do aço é um parâmetro de grande importância para garantir qualidade final do produto e manter a competitividade das empresas perante o mercado. Por outro lado, o distribuidor representa uma das últimas oportunidades para a remoção de inclusões e a utilização, neste equipamento, de modificadores de fluxo tais como: barragens, diques, inibidores de turbulência e cortinas gasosas; dos mais variados formatos visam favorecer a flotação de inclusões. Existe assim, uma busca da associação correta de modificadores associado a um melhor custo benefício e a utilização de simulações físicas e computacionais como ferramentas de análises é um dos recursos mais utilizados atualmente, isto devido às dificuldades operacionais e de custos em se executar testes industriais. Neste contexto, o estudo aqui disposto, teve o objetivo de avaliar os efeitos da substituição do inibidor de turbulência por barragens, sobre o escoamento e remoção de inclusões, via modelamento físico e CFD de um distribuidor de 41,5 t em escala 1:3 por meio da determinação de curvas de distribuição de tempo de residência (DTR), dispersão de corantes, PIV (Particle Image Velocimetry) e remoção de inclusões (partículas poliméricas) injetadas em pulso. Simulações fluidodinâmicas em Ansys CFX também foram utilizadas e a influência da assimetria do jato de entrada sobre a eficiência de remoção de inclusões foi investigada. Observou-se boa concordância entre tempos característicos obtidos por simulações CFD e experimentos no modelo físico. As simulações computacionais de fluxo apresentaram comportamento semelhantes ao observados no modelo físico, sendo possível caracterizar o fluxo quanto a caminhos preferenciais de inclusões, velocidade e características de escoamentos, a partir das simulações CFD. Os resultados demonstram que a substituição do inibidor não trouxe prejuízos ao comportamento do fluxo e, em algumas situações, apresentou valores ligeiramente superiores conforme avaliado pela caracterização de fluxo, curvas DTR e eficiência de remoção de inclusões. Constatou-se que efeitos de curto-circuito e distribuição granulométrica das partículas que simulam as inclusões possuem influência nos resultados de simulação computacional. Por fim espera-se, para as condições assimétricas resultante do desalinhamento do conjunto de válvula longa, um desgaste maior dos diques, diferenças de limpidez entre veios e uma queda na eficiência de remoção de partículas de inclusão menores.
Caracterização tecnológica de uma mistura de sinter feed e pellet feed para uso em processo HPS.
(2019) Lima, Alinne Júlia de Araújo Souza; Silva, Gilberto Henrique Tavares Álvares da; Vieira, Cláudio Batista; gilbertoalvares@ucloud.com; ensinosuperior@icloud.com; Silva, Gilberto Henrique Tavares Álvares da; Vieira, Cláudio Batista; Lemos, Leandro Rocha; Bagatini, Maurício Covcevich
O Quadrilátero Ferrífero (QF) encontra-se inserido na porção sudoeste do Cráton São Francisco e apresenta importantes reservas de minério de ferro no estado de Minas Gerais. A relação MH/MI (minérios hematíticos/minérios itabiríticos) no ROM, ao longo das últimas décadas, tem-se mostrado cada vez menor. Ademais, o sinter feed produzido tem se tornado ao longo dos últimos anos cada vez mais fino quando comparado com a situação de décadas passadas. Assim, tem-se observado um considerável aumento das frações -0,15mm e diminuição daquelas +1,0mm no minério. Essa mudança das características granulométricas do sinter feed tem forte impacto negativo na permeabilidade do leito de sinterização, e consequentemente contribui para diminuição da produtividade dos processos convencionais de sinterização. O processo não convencional HPS (Hybrid Pelletized Sinter), de tecnologia japonesa, tem sido utilizado como alternativa para afinamento do sinter feed. No entanto ainda não é conhecido o efeito do afinamento do sinter feed com introdução de concentrados de itabirito na mistura de minérios nesse processo. Nesse contexto, o principal objetivo desse trabalho é fazer uma caracterização tecnológica de misturas de pellet feed, concentrado obtido a partir de concentração magnética de um minério itabirítico, e sinter feed hematítico para uso em processo HPS. Inicialmente, foi feita caracterização do sinter feed hematítico e do pellet feed. Essa caracterização foi feita em termos de granulometria, química, granuloquímica, mineralogia, water holding e análise de propriedades em altas temperaturas (assimilação e penetração de líquidos). Posteriormente, foi realizada a avaliação da eficiência do fenômeno de formação de quase-partículas (micropelotização), de misturas a sinterizar empregando sinter feed e pellet feed em planta piloto HPS por meio da avaliação das medidas dos índices de granulação dessas misturas. Em seguida feita avaliação em planta piloto HPS do desempenho de quatro misturas a sinterizar empregando o sinter feed e o pellet feed em diferentes proporções (sendo a Mistura 1 para apenas sinter feed hematítico, Mistura 2 para 70% sinter feed hematítico e 30% pellet feed concentrado com granulometria mais grosseira, Mistura 3 para 70% sinter feed hematítico e 30% pellet feed concentrado com mesma granulometria da Mistura 1, e, por fim, a Mistura 4 para 60% de sinter feed hematítico e 40% de pellet feed concentrado com afinamento do minério, com elevação em 10% na fração <0,150mm em relação à Mistura 1). Após as queimas na planta piloto, os sínteres produzidos foram caracterizados em termos de análise química, granulométrica, física, metalúrgica e mineralógica. O teor de SiO2 da amostra de pellet feed concentrado se mostrou inferior ao do sinter feed hematítico (4,05% e 5,80%, respectivamente) e, como esperado, a granulometria do primeiro se apresentou consideravelmente mais fina (72% de fração <0,150mm) em relação ao segundo (38% de fração <0,150mm). Sobre a mineralogia, a amostra do pellet feed concentrado apresentou maior quantidade de partículas de hematita lamelar em relação do sinter feed hematítico, além de menor grau de liberação. Pelo teste de water holding foi observado que a fração aderente do sinter feed hematítico possui uma capacidade um pouco maior de absorver água em relação à mesma fração do pellet feed concentrado. Quanto aos resultados dos testes a altas temperaturas (teste de assimilação e penetração de líquidos), conclui-se que o concentrado de itabirito, que possui menor teor de minerais de ganga favorece o processo de aglomeração a quente, aumentando o rendimento de sinterização e a resistência física do sínter, com formação de uma estrutura com poros mais bem distribuídos e esféricos. Pelos testes em planta piloto, foi possível observar que para a Mistura 2, contendo o sinter feed hematítico e o pellet feed, com elevada relação de partículas nucleante/aderente (1,15) não foi identificada perda de produtividade em relação a fase referência, sem pellet feed concentrado (Mistura 1) - pelo contrário, a produtividade se mostrou superior em relação à fase referência. Quando houve participação de pellet feed em 30% na mistura, sem, contudo, haver alteração da curva granulométrica (Mistura 3 em relação à Mistura 1), a produtividade se mostrou no mesmo nível em relação à fase referência indicando que o consumo de concentrado não interfere negativamente na produtividade da sinterização, quando a granulometria do blend de minério não é alterada. Por outro lado, quando ocorreu uma redução na relação de partículas grossas sobre as partículas finas (como foi o caso da Mistura 4 em relação à Mistura 1), a produtividade tendeu a ser reduzida, de modo que a elevação em 10% na fração <0,150mm resultou em perda de produtividade de aproximadamente 8%. Com relação à qualidade dos sínteres pilotos, pelos ensaios metalúrgicos (RI e RDI), o sínter de melhor resultado foi aquele com maior quantidade de concentrado e com menor relação nucleante/aderente (Mistura 4), que apresentou menor velocidade de sinterização e menor teor de contaminantes.
O efeito do refratário da válvula superior no comportamento das bolhas dentro da válvula submersa e no molde do lingotamento contínuo de placa : modelo físico e matemático.
(2020) Santos Junior, Paulo Luiz; Silva, Carlos Antônio da; Galinari, Clenice Moreira; Silva, Carlos Antônio da; Galinari, Clenice Moreira; Nunes, Eduardo Henrique Martins; Lemos, Leandro Rocha; Gameiro, Danton Heleno; Peixoto, Johne Jesus Mol
Gás inerte é injetado no refratário da válvula superior durante o lingotamento contínuo para minimizar o arraste de ar para o sistema e a consequente oxidação do aço, formação de inclusões, obstrução do sistema de refratários, de maneira a se garantir a limpidez do aço. Esse estudo investigou a formação e o comportamento das bolhas a partir da injeção de ar em placas refratárias com diferentes permeabilidades. Para isto foram desenvolvidos três modelos físicos. O primeiro estudou a geração de bolhas na superfície das placas refratárias e nas suas proximidades, sem fluxo tangencial de água. O segundo simulava, por meio de um canal composto de placas refratárias paralelas, o canal de fluxo da SEN; determinou-se o efeito de vazão de líquido e gás sobre o diâmetro de bolhas. O terceiro modelo físico foi empregado para a calibração de um modelo matemático de fluxo bifásico em canal, sob ação de forças de arraste e não arraste. Os filmes foram realizados com câmera de alta velocidade a 3680 e 1000 quadros por segundo para a determinação das características das bolhas. Os resultados da avaliação das imagens dos modelos físicos confirmaram o efeito inverso da permeabilidade do refratário no Diâmetro Médio (DM) das bolhas e a dependência do DM com a vazão das fases contínua (água) e dispersa (ar). Foi então desenvolvido modelo matemático do lingotamento contínuo de placa, com válvula submersa e molde, para avaliação da população de bolhas polidispersas em sistema água-ar, aproveitando a simetria geométrica e de fluxo e os resultados foram comparados com a distribuição de gás nos modelos físicos água-ar. A função MUSIG (Grupo Múltiplo de Tamanho, Ansys CFX) foi adotada como modelo de quebra e coalescência de bolhas. As simulações foram então estendidas para descrever o fluxo real de aço-argônio, considerando um fator de expansão térmica para bolhas de argônio. As simulações via modelo matemático com MUSIG, forças de arraste e não arraste, apresentaram resultados consistentes com os observados no modelo físico. Além disso, observou-se que o aumento da vazão de água propiciou um rolo superior melhor definido com maior velocidade de menisco, o que representa a melhor condição metalúrgica. Outra observação relevante foi que o refratário com maior permeabilidade representou melhor o modelo físico escala 1:1. Por fim, os resultados das simulações com aço e argônio corroboraram os efeitos do aumento do fluxo da fase líquida em relação a: melhor distribuição do gás no molde; redução do diâmetro médio das bolhas no molde; redução da formação de redemoinho perto da face estreita; e aumento de velocidades no menisco.
Estudo comparativo da remoção de inclusões do aço líquido nos processos de RH e estação de borbulhamento.
(2019) Campos, Marina Braga; Silva, Carlos Antônio da; Peixoto, Johne Jesus Mol; Silva, Carlos Antônio da; Lemos, Leandro Rocha; Gameiro, Danton Heleno; Peixoto, Johne Jesus Mol
A composição, quantidade e distribuição de tamanhos de inclusões não metálicas influenciam fortemente as propriedades químicas e físicas do aço como resistência à fadiga, usinabilidade e resistência à corrosão. Portanto melhorar a qualidade do aço implica em aumentar a limpidez do aço líquido, ou seja, reduzir o número e tamanho das inclusões no mesmo. Para tanto são utilizados processos (que possuem diferentes custos operacionais) como o borbulhamento de gás inerte na panela e o tratamento no desgaseificador à vácuo RH. Devido à alta taxa de dissipação de energia característica do tratamento do aço no reator RH este funciona como um excelente misturador capaz de promover o coalescimento e flotação das inclusões, com sua consequente remoção do aço líquido; além do choque e coalescimento de inclusões a injeção de gás inerte possibilita a interação direta entre bolhas e partículas inclusionárias promovendo a remoção das mesmas. O presente trabalho traz uma comparação, utilizando dados industriais e simulações matemáticas, da capacidade de remoção de inclusões nos tratamentos de borbulhamento, RH e RH com aquecimento químico. Foi encontrado que o número de inclusões decai exponencialmente durante o tratamento no RH após o aquecimento químico. Para estes casos a constante aparente de desoxidação foi da ordem de 0,47 (min-1) para uma taxa de circulação de 120 (ton/min). Este forte decaimento exponencial não é observado nas corridas tratadas no RH sem aquecimento químico bem como nas corridas tratadas na estação de borbulhamento. Sugere-se que nestes casos pode haver um processo de competição entre a remoção e geração de inclusões a partir de fontes como a interação refratário-escória-metal ou interação do metal líquido com a atmosfera através do olho da pluma. Concluiu-se que a estação de borbulhamento e o RH são ambos capazes de reduzir a quantidade de inclusões do aço líquido, porém o processo de borbulhamento requer para isso uma vazão de gás muito menor do que a utilizada neste trabalho para evitar a abertura do olho da pluma.
Estudos sobre transiência e oscilação superficial em molde de Beam Blank e seus efeitos sobre a qualidade do aço.
(2020) Gabriel, Weslei Viana; Silva, Carlos Antônio da; Silva, Itavahn Alves da; Silva, Carlos Antônio da; Lemos, Leandro Rocha; Nunes, Eduardo Henrique Martins; Gameiro, Danton Heleno; Peixoto, Johne Jesus Mol
Neste trabalho foi caracterizado o fluxo em molde de beam blank alimentado por apenas uma válvula submersa com portas laterais. Técnicas de modelamento físico, bem como simulações matemáticas foram aplicadas no estudo. Dois modelos diferentes de válvula submersa (SEN) foram propostos. O primeiro resultou num fluxo de fluido assimétrico, uma vez que a SEN foi posicionada no centro de um dos flanges. Neste caso, o fluxo se caracterizou por uma alta velocidade do jato no ponto de impacto. Tal velocidade compromete a taxa de desenvolvimento da casca solidificada. A velocidade de lingotamento e o ângulo de inclinação das portas influenciaram a oscilação superficial e o comportamento interfacial bem como na taxa de remoção de inclusões. A profundidade de imersão deste modelo é relativamente alta, variando de 200 mm a 250 mm. O segundo modelo de válvula submersa possui o formato oval, permitindo que a mesma fosse posicionada no centro da alma. Desta forma obteve-se um fluxo de fluido simétrico. Porém, a estabilidade do fluxo depende consideravelmente do ângulo de inclinação das portas laterais. O comportamento interfacial também foi dependente da configuração das portas. O formato das portas laterais retangulares no segundo modelo de SEN, resultaram numa distribuição mais uniforme do jato na saída. Este modelo de SEN permitiu que a operação fosse realizada com uma profundidade de imersão consideravelmente inferior (60 mm) à do primeiro modelo, resultando ainda em uma superfície mais estável e em menor entranhamento da fase sobrenadante. Além disto, a carga térmica nas paredes da pele solidificada foi menos intensa quando se utilizou o segundo modelo de SEN. Para ambos os modelos de SEN a oscilação superficial é superior à obtida no modelo tradicional que é alimentado com válvula do tipo tubular. Os testes que avaliaram a taxa de remoção de inclusões mostraram também que estas novas válvulas são mais eficientes na limpidez do aço. Em relação às propriedades físicas dos fluidos usados na simulação do comportamento interfacial metal/escória, verificou-se que a diminuição da viscosidade e o aumento da velocidade de lingotamento também resultam em queda na estabilidade interfacial. A diferença de densidade entre os fluidos também apresenta grande influência sobre o comportamento interfacial.
Influence of moisture and particle size on coal blend bulk density.
(2019) Braga, Erick Mitchell Henrique; Silva, Guilherme Liziero Ruggio da; Amaral, Rian Carlo Vieira; Carias, Marina do Carmo; Assis, Paulo Santos; Lemos, Leandro Rocha
Coal blend bulk density is an important property in the coking process. Some variables, such as moisture and particle size, which are controlled or measured in the coal beneficiation process in steel mills, exert a strong influence on this feature. This study aims to understand the density variation of coal blends by the influence of moisture and particle size when using dry and wet bases. The investigations showed that higher density can be reached when drying the coal blend or even with excess of moisture by an agglomeration process. However, for a coal blend of lower moisture content, such as 4%, the better effects on the coking process are evident. Changes on the density from particle size require care, since they can fall in a region of high density achieved by larger particles or in a region with excess coal fines, where either or both can compromise the coke quality.
A influência da assimetria de fluxo no desgaste de refratário na câmara de vácuo de um reator RH.
(2019) Melo, Pedro Henrique Resende Vaz de; Silva, Carlos Antônio da; Peixoto, Johne Jesus Mol; Silva, Carlos Antônio da; Lemos, Leandro Rocha; Silva, Itavahn Alves da; Peixoto, Johne Jesus Mol
A obstrução de bicos de injeção de argônio, na perna de subida, é um fenômeno recorrente em um reator RH e pode provocar uma distribuição assimétrica do fluxo de aço, tanto na perna de subida como na região inferior da câmara de vácuo. Esta anomalia do fluxo de aço pode alterar as taxas de recirculação e de projeção de gotas de aço contra as paredes da câmara de vácuo, além de afetar o perfil de desgaste da estrutura refratária da porção inferior da câmara de vácuo. Logo, é importante compreender os efeitos da obstrução dos bicos do anel de injeção de argônio sobre o comportamento fluidodinâmico do aço entre o RH e a panela de refino secundário e seu efeito sobre a tendência de degradação do revestimento refratário do aparelho de desgaseificação. Neste estudo, foram avaliados os efeitos da obstrução de bicos em um reator RH sobre a taxa de circulação de líquido, tensão de cisalhamento nas paredes, perfis de velocidade e padrão de fluxo. Além disso, foi avaliada a tendência ao desgaste de refratários na câmara de vácuo por meio de modelo físico e simulação matemática. Quatro condições foram estudadas para diferentes vazões de gás: sem obstrução, obstrução simétrica de 8 bicos e duas obstruções assimétricas, de 4 e 8 bicos. Observou-se boa concordância entre os resultados dos modelos físico e matemático. A taxa de circulação apresentou queda significativa nos casos de obstruções assimétricas, se comparadas à condição de não obstrução. Quanto ao desvio do padrão de fluxo, nos casos de obstruções assimétricas, percebeu-se fluxo assimétrico na região inferior da câmara de vácuo, o que resultou em desgaste preferencial em um dos lados da câmara nos experimentos físicos. A análise da tensão de cisalhamento nas paredes da câmara de vácuo via modelo fluidodinâmico também indica desgaste preferencial. Quando confrontados, resultados de taxa de desgaste na simulação física e de tensão de cisalhamento no modelamento matemático, apresentaram boa correlação.
Influência da taxa de circulação no RH e adição de escória sintética no vazamento sobre o perfil inclusionário de um aço ARBL acalmado ao Al.
(2020) Melo, Gilberson Mendonça Storck de; Silva, Carlos Antônio da; Silva, Carlos Antônio da; Lemos, Leandro Rocha; Peixoto, Johne Jesus Mol
As novas práticas de aciaria estabelecidas ao longo dos últimos anos tiveram como principal foco a garantia de limpidez. Isto se faz necessário para sustentar a aplicação de peças ou estruturas construídas em aço aplicadas sob condições severas, tais como altas pressões, baixas temperaturas, carregamento cíclico...etc. Uma vez que todo aço tem inclusões associadas, sendo elas inerentes ao processo produtivo, faz-se necessário ter controle sobre sua geração, composição química, tamanho e distribuição. Este trabalho tem como objetivo evidenciar as influências da taxa de circulação no desgaseificador RH e das propriedades físico-químicas da escória sobrenadante nas características das inclusões (contagem de inclusões, composição química, diâmetro médio equivalente e distribuição dimensional) em um aço Alta Resistência Baixa Liga (ARBL) acalmado ao Alumínio. Foram medidos os efeitos em separado, e também o efeito conjunto, visando a maximização dos benefícios em limpidez. A adição de escória sintética com base em CaO – Al2O3, durante o vazamento, visa a modificação das propriedades físico-químicas da escória sobrenadante resultante, tais como as atividades de Al2O3 e CaO, e viscosidade. As composições das escórias foram normalizadas considerando 06 óxidos principais Al2O3 – CaO – SiO2– MgO – FeO – MnO e suas propriedades foram determinadas por meio do software FactSage, versão 7.2. Amostras de aço das corridas produzidas foram levadas ao MEV-EDS e as características das inclusões foram correlacionadas com as propriedades das escórias. O potencial de oxidação do banho metálico, caracterizado pelo somatório FeO+MnO nas escórias, foi determinante na geração das inclusões não metálicas. Quando a escória sintética foi adicionada durante o vazamento, escórias com FeO+MnO ≤ 10% apresentaram remoção inclusionária mais efetiva durante o trânsito da panela até a chegada no RH. Para este mesmo nível de FeO+MnO na escória, corridas sob efeito combinado de alta taxa de circulação e adição de escória sintética durante o vazamento apresentaram maior eficiência de remoção inclusionária.
Limpidez do aço SAE 9254 destinado à indústria automobilística.
(2020) Lima, Ermani Vinicius de Oliveira; Silva, Carlos Antônio da; Silva, Itavahn Alves da; Costa Neto, Joaquim Gonçalves; Silva, Carlos Antônio da; Lemos, Leandro Rocha; Peixoto, Johne Jesus Mol; Costa Neto, Joaquim Gonçalves
A aplicação do aço SAE 9254 em molas de suspensão requer um controle preciso das inclusões não metálicas. Com o objetivo de avaliar o efeito de três variáveis operacionais sobre a limpidez do aço, foram simulados o efeito da quantidade de escória transportada durante o vazamento do aço do convertedor LD para a panela, o efeito da adição de grafite durante o refino secundário e o efeito da basicidade binária da escória de panela utilizada durante o tratamento de refino secundário, por simulação computacional, por meio do software CEQCSI® (Chemical EQuilibrium Calculations for the Steel Industry). Os resultados das simulações, variando a basicidade binária entre 0,60 e 1,50, na temperatura de 1520°C, mostraram uma significativa influência da basicidade da escória sobre as inclusões no aço. A partir desses resultados foram realizados testes industriais para caracterização das inclusões em amostras de aço, coletadas nas etapas de início, meio e fim do tratamento de refino secundário em forno panela e nos produtos tarugo e fio-máquina. As características das inclusões, como quantidade, distribuição de tamanho e composição química durante o processo de refino secundário no Forno Panela e nos produtos tarugo e fio-máquina foram analisadas via MEV (Microscopia Eletrônica de Varredura, utilizando EDS (Espectroscopia por energia dispersiva) e ASCAT (Automated Steel Cleanliness Analysis Tool). Neste trabalho “processo base” identifica as operações nas quais a basicidade da escória de panela é inferior a 1,0. A outra condição testada industrialmente foi denominada “processo com aumento em 0,50 da basicidade binária” em relação ao processo base. Os resultados das análises em amostras de aço mostraram uma diminuição da quantidade de inclusões em até 60% e um aumento de 72% para 98% de inclusões inferiores a 10µm no fio-máquina, decorrentes do aumento de basicidade. Os resultados indicam que mesmo com o aumento da basicidade, as inclusões permaneceram na região de baixa temperatura liquidus, característica relacionada à deformabilidade das inclusões no processo de laminação a quente. Uma segunda simulação foi conduzida por meio do CEQCSI® , com o intuito de avaliar o efeito da variação do teor de enxofre sobre as inclusões de sulfetos. Foi observada uma correlação entre a quantidade e o tamanho médio dos sulfetos majoritários S-Mn e S-Mn-Cr no fio-máquina com a diminuição do teor de enxofre no aço. Abaixo de 100ppm de enxofre no fio-máquina, estabilizou-se a quantidade, contudo houve uma contínua redução de tamanho médio destes sulfetos com a diminuição do teor de enxofre no aço. Assim, as inclusões podem ser controladas efetivamente.
Maximização da eficiência de dessulfuração do gusa líquido num reator Kanbara.
(Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais. Rede Temática em Engenharia de Materiais, Pró-Reitoria de Pesquisa e Pós-Graduação, Universidade Federal de Ouro Preto., 2011) Lemos, Leandro Rocha; Silva, Carlos Antônio da
Neste estudo procurou-se avaliar o comportamento metalúrgico de um Reator Kanbara (KR) no que se refere à dessulfuração. Nestes reatores a velocidade do processo depende fortemente do grau de dispersão do reagente no metal líquido, de modo que foi determinada a influência dos principais parâmetros operacionais, que são: profundidade de imersão, velocidade de rotação, geometria e excentricidade do impulsor sobre a taxa de dispersão do agente dessulfurante no gusa líquido. Para tanto utilizou-se um modelo físico em escala 1:7 de um reator industrial de 315 toneladas. Menores profundidades de imersão e maiores velocidades de rotação do agitador mecânico, aumentam a taxa de dispersão das partículas dessulfurantes; maior a diferença de densidade entre partículas e banho menor o grau de dispersão; estas influências foram quantificadas, tal como aquela da descentralização do impulsor. As limitações para que se alcance um maior grau de dispersão e logo de velocidade de dessulfuração estão relacionadas à taxa de respingos e projeções dos particulados, os quais devem ser mínimos, pois geram danos à segurança operacional. Foram conduzidas simulações numéricas via CFD (Computational Fluid Dyamics) do processo de dispersão, os quais produziram resultados comparáveis aos do modelo físico. Sob condições industriais, prevê-se que o coeficiente de transferência de massa apresente forte dependência com a velocidade de rotação e descentralização do agitador mecânico. Nota-se também que a distribuição de valores de coeficiente de transferência de massa não é uniforme ao longo do reator, os maiores valores se concentrando nas regiões à frente das palhetas do impulsor. Apesar da evidente não uniformidade da dispersão de partículas dessulfurantes e de coeficientes de transferência de massa, dados relativos a mais de 600 corridas industriais foram analisados utilizando-se um modelo macroscópico o qual assume distribuição espacial uniforme destas variáveis. Existe boa concordância entre resultados industriais e aqueles previstos pelo modelo, de modo que este pode ser utilizado para análises exploratórias.
Modelagem do fluxo multifásico em canal de alto-forno com foco na melhoria da eficiência de separação metal-escória.
(2021) Oliveira, Marivaldo Junior Monteiro de; Silva, Carlos Antônio da; Peixoto, Johne Jesus Mol; Silva, Carlos Antônio da; Lemos, Leandro Rocha; Gabriel, Weslei Viana; Peixoto, Johne Jesus Mol
O canal de corrida é um equipamento importante no processo de fabricação em altos-fornos, promovendo a separação entre gusa líquido e escória após o vazamento. O canal de corrida é um importante equipamento dentro do processo, promovendo a separação metal-escória após o vazamento. Contudo, o padrão de fluxo no interior do canal de corrida é algo pouco estudado devido a sua complexidade. Devido à turbulência no canal durante o vazamento há perda de metal na escória bem como escória entranhada no gusa líquido. A perda de metal na escória é a situação mais crítica, pois afeta diretamente o rendimento metálico da operação. Segundo a literatura, essa perda pode chegar até 2,5% em massa. Analisou-se a influência de fatores geométricos como ângulo e diâmetro de furo de vazamento, vazão dos fluidos e a introdução de controladores de fluxo, sobre o padrão de escoamento dos fluidos, no canal de corrida, por meio de simulação física e numérica. Nas simulações físicas foram utilizadas técnicas de PIV (Particle Image Velocimetry), injeção de corantes com filmagens utilizando câmeras de alta definição, e injeção de traçador salino que geram curvas de distribuição de tempo de residência (DTR) para caracterizar o fluxo no canal. Estas técnicas validaram a modelagem matemática criada em fluidodinâmica computacional (CFX da Ansys®). Resultados de PIV e DTR mostraram boa concordância com o modelo matemático. Portanto, o modelo matemático é capaz de prever o comportamento do fluxo no canal de corrida e avaliar outros parâmetros como a eficiência de separação entre gusa e escória no canal de corrida. A grande emulsificação das fases (ar, escória e gusa) causada pela forte turbulência é o principal fator para perda de gusa no processo. Resultados sugerem que uma combinação entre taxas de vazamento e geometria interna do canal de alto-forno (introdução de controlador de fluxo ou mudança do design) permite otimizar o processo de separação metal/escória minimizando a perda de gusa e aumentando o rendimento metálico da operação. A nova geometria de fundo de canal sugerida por este trabalho poderia ser efetiva, gerando uma economia de US$266,83 por corrida vazada.
Modelagem física e matemática da emulsificação aço-escória para fins de refino em um desgaseificador RH modificado.
(2022) Silva, Antonio Marlon Barros; Silva, Carlos Antônio da; Silva, Carlos Antônio da; Gameiro, Danton Heleno; Silva, Guilherme Liziero Ruggio da; Peixoto, Johne Jesus Mol; Lemos, Leandro Rocha
Neste trabalho foram avaliados os efeitos da redução no comprimento da perna de descida do RH, realizada de forma que a descarga de aço que escoa por essa perna ocorra em posições favoráveis ao arraste de escória para o interior do aço na panela e, portanto, promoção da dessulfuração. As posições estudadas para a extremidade da perna de descida, via modelamento matemático e modelamento físico a frio, foram no interior da camada de escória (óleo no modelo físico) e na interface aço-escória (água-óleo). A taxa de circulação, o tempo de mistura, bem como o comportamento fluidodinâmico macroscópico do aço não foram afetados, assegurando que a modificação no reator não traz prejuízos às suas funções comuns. Entretanto, foi observado nas simulações numéricas (utilizando o software Ansys®-CFX) e em modelo físico, que a modificação provocou uma dispersão sustentável da escória no aço, sendo que essa emulsificação entre as fases foi mais intensa quando a extremidade da perna de descida foi posicionada acima da interface. Além disso, aumentando-se a vazão de gás na perna de subida, aumenta-se a taxa de circulação, reduzindo o tempo de mistura e incrementando a emulsificação, que melhorou a eficiência de refino. Observou-se ainda que trabalhando-se com maiores quantidades de escória incrementa-se a velocidade e o grau de dessulfuração. Outro parâmetro importante foi a diferença de densidade entre as fases. À medida que essa aumenta, ainda se tem um elevado grau de emulsificação, mas o fluxo de fase de refino é mais restrito à região do jato da perna de descida. Com os resultados de um modelo físico simplificado obteve- se uma relação entre área interfacial aço-escória e o número modificado de Weber (We*). A partir dessa relação desenvolveu-se um modelo matemático, validado com os testes de transferência de massa no modelo físico, para previsão da cinética de dessulfuração (de-S) no RH industrial modificado. Os resultados são promissores, especialmente para produção de aços com ultrabaixo teor de enxofre (ULS, [S]<10 ppm). A previsão encontrada é que, mesmo para corridas com teores iniciais dessa impureza da ordem de 200 ppm, considerando um coeficiente de partição de enxofre (LS) igual a 1000 e um consumo específico de escória de 20-40 kg/t, se obtenha de-S acima de 90% em menos de 10 minutos. Considerando LS de 300, a dessulfuração é de 80 a 90%. Essa eficiência é superior à observada (~10-60%) com o emprego das técnicas usuais de adição de agente dessulfurante na câmara de vácuo do RH.
Uma nova rota metalúrgica para a recuperação de Sn a partir de escórias complexas contendo alto teor de ZrO2.
(2023) Clemente, Daniel Mapa; Silva, Carlos Antônio da; Silva, Carlos Antônio da; Oliveira, José Roberto de; Lemos, Leandro Rocha; Peixoto, Johne Jesus Mol; Gameiro, Danton Heleno
Estoques de escórias complexas de estanho (Sn), contendo altos níveis de ZrO2, foram reportados na literatura e verificou-se que o método de reprocessamento atualmente aplicado, com uso de calcário como fluidificante, não possibilita obter baixos níveis de SnO2 na saída do processo. Diante disso, esta tese objetivou desenvolver uma nova rota metalúrgica que possibilite rendimento otimizado para o reprocessamento dessa fonte secundária de Sn. Para isso, um concentrado do material foi caracterizado e um teste de refusão foi realizado a 1773K, o que revelou a presença de uma fase metálica e outra oxidada no concentrado. A primeira fase é rica em Fe e Sn, e está oclusa na segunda, que possui componentes como SiO2, CaO, ZrO2, Nb2O5 e Al2O3. Testes efetuados a 1773-1573K em forno de resistência de carbono utilizaram de calcário como fluidificante e confirmaram que parte do Sn é arrastado pela escória, o que é potencializado por processamentos abaixo de 1673K. Em seguida, estudos termodinâmicos indicaram que a fase oxidada teria alta temperatura de fusão. Testes realizados em um forno à arco elétrico (EAF) também confirmaram as inferências anteriores: por exemplo, verificou-se que parte do vazamento do fluxo metal/escória ocorre em temperaturas no qual a escória final não estaria fluida, contribuindo para o arraste de partículas metálicas. Portanto, explica-se a origem da presença de fase metálica nas escórias com alto teor de ZrO2 pela sua alta temperatura de fusão e condições verificadas de processamento. A adição de fluidificantes para processamento do concentrado também foi avaliada nos estudos termodinâmicos e verificou-se potencial de otimização com uso de CaO e FeO. Essas adições diminuiriam a viscosidade e facilitariam a obtenção de fase fluida, com consequente melhoria das condições de coalescência e precipitação da fase metálica. Com base nesse estudo, conduziu-se novos experimentos em forno de resistência de carbono entre 1473-1773 K, objetivando o desenvolvimento de duas estratégias de otimização. A primeira visou otimizar processamento em temperaturas mais baixas de trabalho (1473-1573K). Para isso realizou-se fluidificação da fase oxidada com adições controladas de CaO e FeO. O uso conjunto desses fluidificantes permitiu rendimentos de Sn variando entre 70,8-80,0% de Sn obtido na forma de um botão metálico de FeSn. Entretanto, por meio de separação magnética das escórias finais, aumentou-se o rendimento para 88,8-94,4%, faixa que é compatível com rendimentos obtidos entre 1773-1673K. Então, essa estratégia representa uma melhoria de processo devido ao menor gasto energético e menor taxa de volatilização de Sn. A segunda estratégia objetivou otimizar processamento em temperaturas mais altas de trabalho (testes realizados a 1773K) com uso de CaO e FeO, assim como carbono. Essa última adição promoveria maior geração de fase metálica devido à redução do FeO, acarretando aumento da coalescência e redução do tempo de precipitação da fase metálica. Porém, o carbono em excesso acabou por inibir o contato entre as partículas e formou uma fase mista metal/escória, o que limitou o rendimento a 85,1-92,2%.
Remoção de inclusões em um distribuidor assistida por injeção de gás inerte.
(2017) Silva, Heric Henrique Souza e; Silva, Carlos Antônio da; Silva, Itavahn Alves da; Silva, Carlos Antônio da; Silva, Itavahn Alves da; Lemos, Leandro Rocha
Modelamento físico em escala 1:4 e modelamento matemático foram empregados para estudar a remoção de inclusões, via borbulhamento de gás inerte pelo fundo de um distribuidor de lingotamento contínuo de placas, dotado de dois veios. Água e ar foram utilizados como fluidos de semelhança e partículas de material polimérico de faixa granulométrica compreendida entre 100 e 200μm para emular as inclusões. Durante os ensaios foram testadas, configurações diversas de injeção de gás pelo fundo, para avaliar os efeitos na remoção das partículas de inclusão do seio do banho, alcançando resultados de eficiência de remoção na ordem de 90%, culminando em 97% para a associação de plugue anelar e barreira porosa. Filmagens foram realizadas para determinar tamanho médio de bolhas e investigar os mecanismos de flotação atuantes. A simulação computacional, com o software Ansys Fluent, foi utilizada para avaliar o padrão de fluxo resultante de cada configuração adotada no modelamento físico. A análise conjunta das curvas de distribuição de tempos de residência e do padrão de fluxo revelado pelas simulações permitiu destacar a mudança do perfil de fluxo da fase principal como fator determinante para o aumento da eficiência de remoção de inclusões.
Utilização de moinha de biorredutor e pneu inservível na produção de coque metalúrgico.
(2016) Silva, Guilherme Liziero Ruggio da; Assis, Paulo Santos; Zymla, Victor; Assis, Paulo Santos; Lemos, Leandro Rocha; Castro, Fernando Andrade de; Murta, Jorge Luiz Brescia; Gomes, Helton Cristiano
O coque é um produto intermediário numa usina integrada, produzido a partir de misturas de carvões metalúrgicos, formuladas para atender tanto as condições operacionais do processo de coqueificação como os requisitos de qualidade do processo de produção de gusa. No atual cenário acirrado de competitividade, umas das linhas para redução do custo da mistura de carvões é o desenvolvimento de matérias-primas alternativas nacionais que minimizem o custo do coque, e consequentemente, do gusa. A utilização de pneus inservíveis na mistura de carvões sugere uma rota de destinação ecologicamente correta a fim de mitigar o impacto causado pelo acúmulo de pneus no meio ambiente, além de uma alternativa para redução de custos de produção do coque metalúrgico. Por outro lado, o Brasil é o maior produtor mundial de carvão vegetal, produzido a partir do processo de carbonização da madeira. Em sua produção, por ser um material muito friável, desde sua obtenção nas carvoarias até seu efetivo consumo nos Altos-Fornos, gera-se 25% deste combustível com granulometria abaixo de 9mm, conhecida como moinha de carvão vegetal. Neste contexto, o presente trabalho avaliou a adição de pneus inservíveis e moinha de carvão vegetal como aditivos alternativos e inovadores nas misturas de carvões para produção de coque metalúrgico. Foram realizados enfornamentos, em escala piloto, com pneu moído em 4 níveis e 3 granulometrias, com objetivo de avaliar o impacto sobre a qualidade do coque, especialmente sobre a Resistência após reação com CO2 (CSR) e a Resistencia mecânica a frio (DI 150-15). Adicionalmente, avaliou-se a resistência mecânica à compressão, além da análise da interface pneu-matriz carbonosa através da microscopia eletrônica de varredura (MEV). Também foram analisados os impactos sobre a qualidade do coque metalúrgico causados pela adição de carvão vegetal em 4 níveis e 2 granulometrias. Os resultados mostraram a viabilidade técnica da adição de até 3% do pneu médio (20-30mm) com a malha de aço, com significativa elevação da resistência mecânica a frio do coque e que a adição da biomassa de moinha de carvão vegetal, com 70% < 2,83mm e em até 2% é tecnicamente viável, além de contribuir para a o balanço de emissões de CO2 na produção do ferro gusa.

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