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http://hdl.handle.net/1843/BUOS-8R9N88| Type: | Dissertação de Mestrado |
| Title: | Modelamento matemático do escoamento de fluidos no processo RH para previsão da taxa de circulação do aço |
| Authors: | Wilian Julio Silveira |
| First Advisor: | Roberto Parreiras Tavares |
| First Referee: | Luiz Fernando Andrade de Castro |
| Second Referee: | Marcelo Borges Mansur |
| Abstract: | Para atender a crescente demanda de aços de elevada qualidade, estão sendo desenvolvidas novas técnicas para melhorar o desempenho do processo RH de refino secundário. O processo RH tem como principal objetivo promover a descarburação do aço, remoção de gases (H, N, O) e inclusões, ajuste de composição química,aquecimento e se baseia na movimentação do aço líquido e exposição parcial deste a uma câmara de vácuo, onde ocorrem as reações de remoção de carbono, hidrogênio e nitrogênio. Várias alterações nas condições operacionais e de projeto têm sido estudadas com o objetivo de alcançar melhorias no desempenho do processo. Modelos físicos e/ou matemáticos têm sido usados para avaliar o efeito destas alterações. No presente trabalho foi desenvolvido um modelo matemático para calcular o perfil de velocidades tri-dimensional dos fluidos no reator RH de refino secundário, com objetivo de prever a taxa de circulação do aço, utilizando o software CFX-Ansys, de simulação de escoamento de fluídos e transferência de calor. Usando este modelo desenvolvido, foram analisados os efeitos de diferentes parâmetros sobre a taxa de circulação. Para a validação do modelo matemático desenvolvido, foram uttilizadas experiências com um modelo físico. A partir destes resultados, foram determinados os melhores modelos de interação gás-líquido no processo RH. O modelo matemático foi desenvolvido para simular o escoamento bifásico em um modelo físico do degaseificador RH, usando a água para simular o aço. No modelo físico, as variações da pressão são muito menos significativas e o domínio isotérmico pode ser considerado. Na simulação do escoamento, diferentes modelos foram considerados: modelo de turbulência (k-), coeficiente de arrasto e forças de não arrasto. Foi adotada uma abordagem Euleriana-Euleriana. Para validação do modelo, os resultados foram comparados aos resultados experimentais obtidos em um modelo físico do degaseificador RH. Neste modelo, foi usado a água para simular o aço líquido e o ar para simular o argônio. A taxa da circulação do aço no modelo físico foi determinada pela injeção de uma solução de cloreto do potássio na perna de subida e a variação de sua concentração com tempo foi medida na perna de descida. Foram utilizadas imagens obtidas no modelo físico na câmara de vácuo e também na perna de subida para validação do modelo. As taxas de circulação previstas pelo modelo matemático de escoamento bifásico para as diferentes vazões foram próximas dos valores determinados experimentalmente. Entretanto, nenhum dos modelos pode reproduzir a variação da taxa decirculação com a vazão de gás. Estes resultados indicam que alguns ajustes ainda são necessários para melhorar a qualidade das previsões do modelo matemático. |
| Abstract: | The RH process is a refining process used in the production of interstitial free steels. In this process, vacuum and inert gas injection promote the refining reactions (removal of C, H and N). The vacuum chamber is connected to the ladle containing liquid steel by two snorkels. The circulation of liquid steel between the vacuum chamber and the ladle is induced by gas injection through nozzles located at the upleg snorkel. The circulation rate has a significant effect on the decarburization and degassing rates and, consequently, on the productivity of the equipment. In the present work, a mathematical model to simulate the two-phase fluid flow in the RH degasser was developed. Modeling of turbulent two-phase flow is not a simple task, particularly under the conditions prevailing at metallurgical reactors. Different forces have to be considered and different models have been proposed to evaluate these forces. None of these models has been fully validated and they usually require the definition of coefficients whose values change according to the system being studied. In the case of the RH degasser, the variations of pressure and temperature inside the computational domain and the presence of a free surface add more difficulties to the development of an accurate mathematical model. The mathematical model for two-phase flow in a RH degasser was developed using the commercial software Ansys-CFX 11. In the present approach, the mathematical model was developed to simulate two phase flow in a physical model of the RH degasser, using water to simulate steel. In this physical model, the variations of pressure are much less significant and an isothermal domain can be considered. Different models for turbulence and also for the interphase drag and non-drag forces have been considered. An Eulerian-Eulerian approach has been adopted. The predictions of the model in terms of melt circulation rate were compared to experimental results obtained in a physical model of a RH degasser. In this model, water was used to simulate liquid steel and air was used to simulate argon. The melt circulation rate in the physical model was determined by the injection of a solution of potassium chloride at the upleg snorkel and measuring the variation of its concentration with time at the downleg snorkel. Images taken from the physical model at the upleg snorkel and of the vacuum chamber were also used to validate the predictions of the model. The predictions of melt circulation rates with the different versions of the mathematical model were close to the experimental results, but none of the models could exactly reproduce the variation of the melt circulation rate with the gas flow rate. These results indicate that some xv adjustments are still required to improve the quality of the predictions of the mathematical model. |
| Subject: | Engenharia metalúrgica Metalurgia extrativa Escoamento |
| language: | Português |
| Publisher: | Universidade Federal de Minas Gerais |
| Publisher Initials: | UFMG |
| Rights: | Acesso Aberto |
| URI: | http://hdl.handle.net/1843/BUOS-8R9N88 |
| Issue Date: | 25-May-2011 |
| Appears in Collections: | Dissertações de Mestrado |
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