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Title: Análise da turbulência e do comportamento metal-escória no interior de um reator RH e sua influência sobre a reação de dessulfuração do aço.
Authors: Peixoto, Johne Jesus Mol
metadata.dc.contributor.advisor: Silva, Carlos Antônio da
Silva, Itavahn Alves da
Keywords: Desgaseificador RH
Dessulfuração
Comportamento metal/escória
Forças de não-arraste
Simulação matemática
Issue Date: 2019
metadata.dc.contributor.referee: Silva, Itavahn Alves da
Lemos, Leandro Rocha
Silva, Guilherme Liziero Ruggio da
Assis, Paulo Santos
Citation: PEIXOTO, Johne Jesus Mol. 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. 205 f. Tese (Doutorado em Engenharia de Materiais) – Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto, Ouro Preto, 2018.
Abstract: 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%.
metadata.dc.description.abstracten: Steel desulfurization can be accomplished by the addition of desulfurizing agent in the RH vacuum chamber. Computational Fluid Dynamics (CFD) technique and 1:7.5 physical model of a RH degasser has been employed in order to better understand the effects of operational parameters on steel desulfurization kinetics. The effects of parameters such as gas flow rate, snorkels immersion depth, fluid emulating liquid steel (water or aqueous salt solution) and different oils for simulating the slag have been taken care of. The experiments in the physical model were: measurement of liquid circulation rate via the strain gage bridge method (SGBM) and by the well-known conductimetry method and velocity measurements from PIV technique (Particle Image Velocimetry); simulation of the desulfurizing agent addition into the vacuum chamber of the model, to evaluate the residence time, the size of the oil droplets dragged by the flow and mass transfer rate of thymol. The numerical simulation of the multiphase flow was set to predict the effect of operational parameters on the liquid circulation rate. The SGBM technique can be used to evaluate the circulation rate of denser salt solution used as circulating fluid. Increasing the density of the circulating fluid proportionally increases the rate of circulation (about 20%), suggesting a slight influence on the liquid velocity inside the model. The snorkel immersion depth did not affect significantly the circulation rate, while the gas flow rate influence can be reported as a power law relationship (Qc ∝ G1/3). The shape of the lower vessel had negligible influence on the circulation rate, supporting the use of the rectangular vessel to evaluate the size of the entrained oil droplets. Reducing the oil viscosity and increasing the density difference (between circulating fluid and oil) resulted in a smaller average diameter of the entrained droplets. The residence time of material inside the vacuum chamber was longer the larger the difference between the oil and circulating fluid densities or by properly reducing gas flow. Tests of mass transfer between water and oil in the physical model resulted in an extraction about 15%, 2min after the material addition in the vacuum chamber. However, the lower water/oil density difference did not allow to infer the gas flow rate influence on the mass transfer rate. The CFD predicted radial gas distribution and liquid circulation rate have been validated against experimental data from physical model. Better predictions of gas distribution in the up-snorkel as well as circulation rate via mathematical modeling were achieved with incorporation of the virtual mass force coefficient of 0.25 and the turbulent dispersion force, with the model based on the Favre (mass weighted) average of the drag force. The wall lubrication force should be accounted for in order to avoid gas accumulation near the snorkel walls, but its effect on the circulation rate was insignificant. On full-scale simulations, the bubble expansion due to pressure drop has been taken in consideration, increasing the predicted steel circulation rate. Based on the results from physical model about slag dispersion inside liquid steel and on numerical simulation, a kinetic model was applied to evaluate the desulfurization due desulfurizer addition on the vacuum chamber of RH reactor.
Description: Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais. Departamento de Engenharia Metalúrgica, Escola de Minas, Universidade Federal de Ouro Preto.
URI: http://www.repositorio.ufop.br/handle/123456789/11411
metadata.dc.rights.license: Autorização concedida ao Repositório Institucional da UFOP pelo(a) autor(a) em 20/05/2019 com as seguintes condições: disponível sob Licença Creative Commons 4.0 que permite copiar, distribuir e transmitir o trabalho desde que sejam citados o autor e o licenciante. Não permite o uso para fins comerciais nem a adaptação.
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