Otimização do processo de dessulfuração de gusa em panela através de simulações numéricas computacionais
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Editor
Universidade Federal de Minas Gerais
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Tipo
Dissertação de mestrado
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Primeiro orientador
Membros da banca
Breno Totti Maia
Johne Jesus Mol Peixoto
Johne Jesus Mol Peixoto
Resumo
A presença do enxofre no aço tem sido, ao longo do tempo, percebida como deletéria a sua qualidade na grande maioria dos casos, podendo causar perda de ductilidade, fragilização, e piora nas propriedades de soldabilidade e resistência a corrosão, além de poder gerar problemas superficiais nos tarugos e placas. Nos últimos anos, a demanda por aços com baixo teor de enxofre tem aumentado, não sendo mais raros aços com especificações de enxofre inferiores a 70ppm. A origem do enxofre no processo siderúrgico são os combustíveis fósseis utilizados na redução. Durante o processo de produção do ferro-gusa, esse enxofre é incorporado ao banho metálico, sendo assim necessário um pré-tratamento do metal antes do processo de refino primário, pois a remoção do enxofre é favorecida na ausência de oxigênio. Existem vários tipos de processo de dessulfuração de gusa, podendo ser realizados em carros torpedos, ou em panelas de gusa. A eficiência dessa operação é de fundamental importância para a qualidade dos aços, pois entre todos os processos posteriores à produção do ferro-gusa, é o que apresenta maior capacidade de remoção do enxofre, variando de 70% a 95%. A simulação fluidodinâmica computacional tem sido utilizada ao longo do tempo para modelar processos em que há grande dificuldade de visualização e experimentação, lançando mão de equações e modelamentos matemáticos, para prever o comportamento dos fluidos do sistema de maneira a averiguar possibilidades de ajustes nos processos de acordo com o objetivo daquela operação. Dessa forma, o corrente trabalho analisa simulações fluidodinâmicas realizadas buscando modelar o atual processo de dessulfuração da ArcelorMittal Monlevade, visando determinar condições otimizadas de altura de lança e vazão de gás para minimizar o tempo de mistura, para que dessa forma seja possível se obter um processo com a máxima eficiência de dessulfuração. Além das simulações, foram realizados testes industriais visando validar os resultados obtidos através das simulações computacionais. Desta forma percebeu-se a possibilidade de se obter ganhos de eficiência de processo minimizando o consumo de nitrogênio sem penalizar a eficiência no processo de remoção de enxofre, a partir da utilização de sugestões obtidas através das simulações computacionais.
Abstract
Sulfur in steel has been considered deleterious in its quality in most cases. Sulfur can cause loss of ductility, impact toughness, and worsening the properties of weldability and resistance to corrosion and can generate surface problems in billets or slabs. Recently, the demand for low sulfur steel grades has increased, and it is not uncommon grades with sulfur specifications below 70ppm. The source of sulfur in the steelmaking process are the fossil fuels that are being used in the ironmaking process, to react with the iron ore generating hot metal. During this process, sulfur is incorporated to the chemical composition of the metallic bath, and it causes the need of a pre-treatment of the hot metal before the primary refining (in ArcelorMittal Monlevade case it means Basic Oxygen Furnace), because the sulfur removal is favored in the absence of oxygen. There are several hot metal desulfurization processes that can be conducted in torpedo cars, or hot metal ladles. The efficiency of this process is of fundamental importance for the quality of the steel grades, because among all the subsequent processes of the steelmaking process, this is the one with the greatest sulfur removal capacity. Computational fluid dynamics (CFD) simulation has been used to modelling processes in which there is great difficulty in visualization and experimentation, using equations and mathematical models to predict the behavior of fluids in the system and with this information to be able to investigate possibilities of adjustments in the processes according to the target of each operation. Thus, the present work adopts CFD simulations to analyze the current process of ArcelorMittal Monlevade desulfurization station, to determine optimum conditions of injection lance heights and gas flow to minimize the mixing time, and to achieve the maximum efficiency for the desulfurization process. In addition to the simulations, industrial tests were performed to validate the results obtained through the computer simulations, and through the study and tests it was identified the possibility of obtaining process efficiency gains minimizing the nitrogen consumption without penalizing the removal of sulfur in the process, from the use of predictions obtained through computer simulations.
Assunto
Engenharia metalúrgica, Metalurgia extrativa, Dessulfuração, Simulação (Computadores), Dinâmica dos fluidos computacional, Otimização
Palavras-chave
Dessulfuração, Ferro gusa, Simulações numéricas, Simulação, CFD, Controle de processo, Otimização de processos, Tempo de mistura