A AVALIAÇÃO DO TEMPO DE MISTURA EM PANELAS AGITADAS POR GÁS UTIILIZANDO DOIS PLUGS POROSOS

AVALIAÇÃO DO TEMPO DE MISTURA EM PANELAS AGITADAS POR GÁS UTIILIZANDO DOIS PLUGS POROSOS¹

Bernardo de Oliveira Costa²

Caio Nogueira Araújo Diniz²

João Paulo Campelo²

Pedro Henrique Marques Spínola de Andrade²

Roberto Parreiras Tavares³

Resumo

O tempo de mistura em panelas de aciaria foi avaliado em diversos trabalhos através de modelamento físico e matemático. A maioria destes trabalhos estão focados em analisar os efeitos da vazão de gás e localização dos plugs porosos usados para injeção. Em artigos recentes, o uso de dois plugs de injeção foi investigado, mas ainda há uma controvérsia significativa sobre a melhor posição para injeção de gás. Nestes artigos, a vazão de gás é distribuída igualmente entre os dois plugs de injeção. Neste trabalho, foi feito modelamento físico para avaliar os tempos de mistura de panelas de aciaria equipadas com dois plugs porosos. O modelo físico foi construído na escala de 1:5 de uma panela de 170 toneladas usada em uma planta brasileira. Os tempos de mistura foram apurados usando a injeção de um traçador. Diferentes combinações de posição dos plugs porosos e distribuição da vazão de gás foram ensaidas. Experimentos de visualização do escoamento também foram desenvolvidos utilizando tufts e injeção de corante. Estes experimentos foram úteis para análise dos resultados.

Palavras-chave: Modelamento físico, panela de aciaria, tempo de mistura, injeção de gás.

EVALUATION OF MIXING TIMES IN GAS AGITATED LADLES USING TWO POROUS PLUGS

Abstract

Mixing times in steelmaking ladles have been evaluated in several works using mathematical and physical modeling. Most of these works are focused on analyzing the effects of gas flow rate and location of the porous plug used in gas injection. In recent papers, the use of two porous plugs has been investigated, but there is significant controversy on the best locations for gas injection. In these papers, the gas flow rate is distributed equally between the two porous plugs. In the present paper, physical modeling is used to investigate mixing times in steelmaking ladles equipped with two porous plugs. The physical model was built in a 1:5 scale of a 170 tonnes steelmaking ladle used in a Brazilian plant. The mixing times were evaluated using tracer injection.  Different locations for the porous plugs and gas flow rates combinations were investigated. Flow visualization experiments were also carried out using tufts and coloring injection. These experiments were useful in analyzing the results.

Key-words:Physical modelling, steelmaking ladle, mixing time, gás injection.

1. Contribuição técnica a ser apresentada no 45º Seminário de Aciaria Internacional,Porto Alegre, Rio Grande do Sul de 25 a 28 de Maio de 2014;

² Aluno do Curso de Graduação em Engenharia Metalúrgica da UFMG.  Avenida Antônio Carlos, 6627 – Belo Horizonte, MG, 31270-901 – [e-mail], [e-mail], [e-mail], [e-mail];

³   Sócio da ABM, Professor Associado do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da EEUFMG. Avenida Antônio Carlos, 6627 – Belo Horizonte, MG, 31270-901 – [e-mail].

1 - Introdução

A demanda e desenvolvimento de novas especialidades de aços passa inevitavelmente por etapas de preparo e ajuste fino que definem o refino secundário. É preciso ser feito controle, em especial, da composição e da temperatura do aço, buscando eliminar gradientes destes dois parâmetros. Alguns processos como desoxidação, desfosforação, dessulfuração, flotação de inclusões, adição de elementos de liga e controle de temperatura são feitos na panela de aciaria, e nesta etapa do refino a injeção de gás pelo fundo é de fundamental importância para intensificação dos fenômenos de mistura(1).

Há diversas publicações acerca de simulações físicas e matemáticas do processo de mistura por injeção de gás com apenas um plug em panelas(2-4), porém, tratando-se da injeção de gás com configurações que envolvam dois plugs, ainda não existe definição sobre qual a melhor combinação de vazão e posição dos injetores de gás.

A margem para estudos e relevância de experimentos envolvendo mistura pela injeção de gás em dois pontos se ilustra pela recente publicação de CONEJO et al.(5), em que foi usado modelamento físico para estudo dos efeitos da posição, vazão, número de injetores e presença de uma fase sobrenadante sobre o tempo de mistura. O modelo físico construído neste último trabalho citado seguiu a escala de 1:18 de um reator industrial, tendo dimensões significativamente reduzidas. Isto despertou questionamentos sobre a manifestação do regime turbulento de escoamento e seu reflexo sobre o tempo de mistura. A relação das dimensões do modelo e a consequente fração do volume ocupada pela coluna de bolhas é de grande importância nos fenômenos de mistura(4) e a reprodutibilidade das tendências verificadas em diferentes escalas geométricas possui interesse prático principalmente se a utilização dos resultados em cenários industriais é um objetivo.

Em vista da interface com o trabalho de CONEJO et al.(5) sobre a utilização de dois injetores de gás buscou-se uma abordagem complementar, mas ainda mantendo uma margem de similaridade para verificar se haveria algum efeito da escala do modelo sobre o padrão de resultados que evidenciasse discordância. A proposta do presente trabalho é avaliar se ao tomar um determinado valor de vazão injetado por um único plug e distribuí-lo em dois plugs, de forma que a soma das vazões seja igual ao valor de referência, alcança-se taxas de mistura mais elevadas. Para tanto, foram feitas medidas do tempo de mistura para diferentes combinações de vazões dispostas em dois plugs porosos sobre uma matriz de posições relativas entre si.

2 – Objetivos

Analisar o efeito da localização e distribuição de vazões sobre o tempo de mistura em uma panela de aciaria, considerando a injeção de gás através de dois plugs porosos. Comparar estes tempos com aqueles obtidos com a injeção através de apenas um plug.

3 – Metodologia

Os experimentos foram conduzidos no Laboratório de Simulação de Processos(LaSIP), parte do Departamento de Engenharia Metalúrgica e de Materiais da Universidade Federal de Minas Gerais.

3.1 – Descrição do Aparato Experimental