BRPI0618348B1

BRPI0618348B1 - lança aperfeiçoada para aciaria ld

Info

Publication number: BRPI0618348B1
Application number: BRPI0618348A
Authority: BR
Inventors: Durst Franz; Sambasivam Rajamani; Chandra Sanjay; Kumar Ajmani Satish; Narayan Lenka Surya
Original assignee: Tata Steel Ltd
Priority date: 2005-11-10
Filing date: 2006-05-04
Publication date: 2018-11-21
Also published as: KR20080077359A; EP1963541A1; JP2009516070A; ATE546553T1; WO2007054957A1; JP5047185B2; RU2008123506A; KR101290639B1; PL1963541T3; RU2414512C2; EP1963541B1; BRPI0618348A2

Abstract

lança aperfeiçoado para aciaria ld é descrita uma lança para aciaria ld que compreende uma pluralidade de bicos supersônicos periféricos provida com uma única linha de suprimento de gás a alta pressão e um bico central. o bico central é um bico subsônico provido com uma linha de suprimento de gás de baixa pressão separada (1) independente da linha de suprimento de gás de alta pressão (2) para os bicos periféricos. a vazão no bico subsônico central pode ser controlada de forma a varias a geração de gotículas de metal líquido durante o sopro, de acordo com a exigência do processo.

Description

(54) Título: LANÇA APERFEIÇOADA PARA ACIARIA LD (73) Titular: TATA STEEL LIMITED. Endereço: RESEARCH AND DEVELOPMENT DIVISION, JAMSHEDPUR 831 001, ÍNDIA(IN) (72) Inventor: RAJAMANI SAMBASIVAM; SURYA NARAYAN LENKA; FRANZ DURST; SANJAY CHANDRA; SATISH KUMAR AJMANI.

Prazo de Validade: 10 (dez) anos contados a partir de 21/11/2018, observadas as condições legais

Expedida em: 21/11/2018

Assinado digitalmente por:

Alexandre Gomes Ciancio

Diretor Substituto de Patentes, Programas de Computador e Topografias de Circuitos Integrados “LANÇA APERFEIÇOADA PARA ACIARIA LD”

CAMPO DA INVENÇÃO

A presente invenção diz respeito, em termo geral, a uma lança aperfeiçoada para aciaria LD. Em particular, a presente invenção diz respeito a um projeto de lança de multifuros com um bico subsônico central controlável separadamente para variar a geração de gotículas de metal líquido, de acordo com a exigência do processo.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

O aço é produzido por muitos processos tais como processo de forno a oxigênio básico (BOF), processo de forno a arco elétrico (EAF), processo Kaldo, etc. Destes, o processo de forno a oxigênio básico (BOF) ou o processo de aciaria LD é amplamente usado no mundo atual, por causa da eficiência do processo e da qualidade do aço produzido. O dito processo de aciaria LD é um processo de purificação de ferro gusa líquido que contém, juntamente com uma % (porcentagem) muito elevada de ferro, carbono, fósforo, magnésio, manganês, alumínio, etc., como impurezas principais. Estas impurezas são removidas por reações de oxidação usando oxigênio gasoso como o oxidante. O gás oxigênio é introduzido em um convertedor LD por meio de múltiplos jatos supersônicos através de uma lança resfriada a água com uma cabeça de cobre. Ademais, gás argônio é introduzido através de ventaneiras na base do convertedor para agitar o metal líquido por completo. Tal processo de soprar gás oxigênio por cima via a lança e injetar argônio por baixo é denominado processo de sopro combinado.

O processo de refino no convertedor LD pode ser sumarizado da seguinte forma. Ferro gusa líquido é carregado no convertedor, juntamente com sucatas metálicas. Estas sucatas metálicas podem ser facilmente fundidas, uma vez que a maioria das reações que ocorrem no convertedor LD são reações exotérmicas, e todo o processo de aciaria LD é um processo de autogeração, a saber, ele não requer um suprimento externo de calor. Cal (CaO), tal como um fluxante, é também acrescentada de acordo com a razão de basicidade exigida, definida como a razão gravimétrica de cal para sílica (CaO/SiO₂), e o sopro de gás oxigênio sobre o metal líquido tem início. As impurezas são oxidadas e os óxidos, diferentes dos óxidos de carbono, formam a escória líquida que flutua em cima do metal líquido. Carbono é oxidado como gás monóxido de carbono (CO) que passa através da escória líquida. Devido a isto, a camada de escória cresce de volume e forma o que é, em geral, chamado de “espuma de escória”. A espuma de escória compreende escória líquida, gases que se desenvolvem do metal líquido e as gotículas de metal líquido atirados no convertedor devido ao impacto dos jatos de oxigênio na superfície de metal líquido. A espuma, assim formada, ocupa um grande volume do convertedor, cobrindo completamente a cabeça da lança e parcialmente a própria lança. A espuma cria uma grande área interfacial entre o metal líquido e a escória, e, desta maneira, promove reações interfaciais tal como a desfosforação.

Posto que o processo de aciaria LD é altamente dinâmico e as condições dentro do convertedor mudam continuamente durante o período de sopro de oxigênio, o controle da lança de oxigênio é imperativo. Logo, a lança de oxigênio é operada a diferentes alturas de lança para controlar a intensidade de colisões dos jatos supersônicos. A altura da lança é definida como a distância da ponta da lança, em qualquer instante, até a superfície do metal líquido plano antes do início do sopro. No início do sopro, o interesse primário do aciarista é formar a escória líquida rapidamente e dissolver a cal carregada completamente. Sabe-se que o sopro duro ou a menor altura da lança será desvantajoso, pois a oxidação do carbono não é preferencial neste estágio. Logo, a lança é operada a uma altura maior, a saber, por exemplo, a altura inicial da lança é de 2,2 m.

Durante o período inicial, a escória começa a formação com as propriedades químicas e físicas exigidas. Agora, faz-se necessário criar escória espumosa pela produção de mais gás CO pela oxidação do carbono, uma vez que somente a escória espumosa pode aumentar aquela área interfacial entre a escória e o metal, promovendo, assim, a importante reação de desfosforação.

Portanto, a altura da lança é reduzida para dar um sopro duro. A menor altura (reduzida) pode ser de cerca de 1,5 m. Neste estágio, a criação de gotículas de metal também é de grande importância no que tange à reação de desfosforação.

Basicamente, a lança é operada nesta menor altura pela maior parte do sopro para promover a oxidação de carbono.

Durante os últimos estágios do sopro, a porcentagem de carbono no aço é muito baixa e a geração de gás CO é reduzida numa grande extensão. A escória não é mais espumosa por causa da ausência da geração de gás CO, e deve-se entender que uma camada de escória líquida, e espessa, é formada em cima da superfície do metal. O sopro duro e a criação das gotículas de metal líquido neste estágio não são preferenciais devido a motivos similares àqueles mencionados nos estágios iniciais do sopro. Logo, a altura da lança é elevada novamente para a altura inicial da lança para fornecer um sopro mais macio.

Pelas discussões acima, fica claro que as exigências físicas da lança mudam completamente durante o sopro no convertedor LD. Em alguns estágios do sopro, a geração de gotículas é de suma importância e, em alguns outros estágios, a geração de gotículas de metal líquido pode ser desvantajosa e detrimental à operação do convertedor LD. Fica claro que a lança exerce um papel muito maior do que o simples supridor de gás oxigênio no convertedor. Projeto da lança e controle adequados durante sopro podem melhorar, e muito, a eficiência do processo de aciaria e melhorar a qualidade do aço, desta forma, produzido.

A lança é constituída de cobre e possui uma cabeça destacável, onde bicos são fixados. O oxigênio é soprado para dentro do convertedor com velocidades supersônicas na faixa do número Mach 2,0-2,4 através dos bicos. O número de bicos supersônicos na lança é decidido com base no tamanho do convertedor, massa da carga e outras condições operacionais. Uma lança típica pode ter 6 bicos supersônicos, com um ângulo de inclinação em relação ao eixo vertical de 17,5°, para minimizar coalescência do jato. Os bicos são projetados para a produção dos jatos supersônicos com o número Mach de saída de 2,2.

Todos os bicos têm um único suprimento de oxigênio na pressão de 13,5 bar.

A lança empregada é resfriada a água para protegê-la da elevada temperatura dentro dos convertedores LD.

Notou-se uma necessidade de melhorar a desfosforação dentro do convertedor LD. Como já afirmado, o projeto e o controle da lança durante o sopro terão um efeito substancial no processo de aciaria (fabricação do aço) e na melhoria da qualidade do aço produzido.

FR-A-1346214 revela uma lança para soprar oxigênio para uso em refino de aço, compreendendo uma pluralidade de condutos de gás.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Um objetivo da presente invenção é o de melhorar a geração de gotículas de metal líquido de tal modo a aumentar a área interfacial de escóriametal para uma melhoria da desfosforação no convertedor LD. Uma vez que a desfosforação é essencialmente uma reação interfacial entre a escória e o metal, o aumento das gotículas de metal aumentaria a eficiência da desfosforação. Na presente invenção, portanto, tem sido feito um esforço para melhorar a geração de gotículas no convertedor LD. Formar gotículas de metal é essencialmente uma função da lança. Assim, para melhorar a geração de gotículas de metal, a função daqueles jatos de oxigênio tem de ser considerada criteriosamente sob condições de fabricação de aço, ou muito próxima a tais condições.

Observou-se que a provisão de um furo central na dita lança de oxigênio cria uma porção de gotículas de metal e causa respingos. O respingo é desvantajoso em virtude de poder causar o bloqueio da boca do convertedor e reduzir ainda mais a vida da lança e do revestimento do convertedor. Assim, embora o furo central possa produzir uma grande quantidade de gotículas, ele também apresenta desvantagens.

Além da melhoria na geração das gotículas, o furo central tem uma vantagem adicional que até então era desconhecida em indústrias de aço.

O efeito da dita espuma de escória de alta densidade nas características do jato supersônico no convertedor LD foi considerado. Observou-se que dita espuma da escória absorve todo o momento suprido pelos jatos de oxigênio e os jatos perdem o momento completamente para a escória. Assim, o conhecimento que existe sobre as características do jato de oxigênio supersônico no convertedor LD pode ser considero errado. Embora os estudos sobre geração de gotículas feitos com uso de modelos hidrodinâmicos dos convertedores LD não revelem os verdadeiros mecanismos de produção de gotículas no convertedor LD, eles propiciam a base para o melhor entendimento da formação das gotículas. Uma vez que os jatos periféricos estão expostos à espuma de escória, espera-se que eles percam todo o momento para a camada de escória através da interface de jato-espuma de escória. Em virtude de os jatos de gás não terem um momento suficiente quando eles atingem a superfície do metal fundido, eles não podem produzir gotículas de metal conforme necessárias.

Contudo, como o presente raciocínio sugere, o dito jato central cobrirá muito pouca, ou nenhuma, espuma de escória, se comparado aos jatos periféricos. Os motivos para isto são que tais jatos periféricos cobrirão o jato central e farão uma cobertura protetora para o jato central da espuma de escória de alta densidade. Adicionalmente, existe uma pressão positiva por causa da presença daquele jato central e tal fato também empurrará para fora os poucos aprisionamentos de espuma de escória para o espaço entre os jatos periféricos. Isto significa que tal jato central não perderá o seu momento para a camada de escória, e alcançará a superfície do metal com o momento concentrado, isto é, com velocidade muito alta, que rasgará a superfície do metal para produzir as gotículas de metal mais necessárias para melhorar a desfosforação.

Consequentemente, resta claro que o fato de ter um jato central será vantajoso no que tange ao aumento da produção de gotículas de metal que podem melhorar a taxa de desfosforação.

Como explicado previamente, quando a escória espumosa está ausente durante os estágios inicial e final do sopro, o jato central causa enorme respingo, isto é, ejeção de metal líquido pela boca do convertedor. Assim, não é aconselhável ter um sopro muito intenso pelo furo central durante todas as fases do processo de aciaria LD. O respingo ou a forte geração de gotículas de metal durante as fases inicial e final do sopro danificarão a lança, já que não há proteção da espuma de escória. Espera-se que a presença da espuma de escória desacelere as gotículas de metal e proteja a lança e o refratário do convertedor do impacto das gotículas de metal. É claro pelos argumentos acima que ter um sopro forte pelo furo central é desvantajoso durante estes dois estágios do sopro.

Se o bico supersônico é operado a uma menor razão de pressão do que a razão de pressão do projeto ou, em outras palavras, se tal bico operar com um subsopro para reduzir a vazão, para evitar respingos durante o estágio inicial, choques ou fortes descontinuidades na pressão, velocidade, temperatura e densidade do gás podem ocorrer na seção de divergência do próprio bico. Os ditos choques formados na seção de divergência podem afetar severamente o desempenho do bico supersônico e reduzirão consideravelmente a vida do bico. Ainda, sob condições de aciaria, um choque deste tipo formado dentro da seção de divergência do bico pode sugar a espuma de escória a alta temperatura e as gotículas de metal até o bico e pode ocorrer uma severa erosão e falha da lança. Fica claro que não é possível ter um alto grau de controle de vazões, conforme exigido nas diferentes fases do processo de aciaria LD, via o bico supersônico.

Devido àquelas considerações mencionadas acima, na presente invenção, percebe-se que ao ter um bico subsônico, isto é, um bico com apenas uma seção de convergência, através da qual fica fácil controlar a vazão, uma ampla faixa de vazões pode também ser alcançada, mudando-se tal pressão de alimentação. Adicionalmente, o problema de formação de choques não é com aquele bico que proporciona velocidades subsônicas. As explicações também deixam claro que não é possível efetuar o controle da vazão por intermédio do furo central sozinho, se todo o bico tiver a mesma linha de suprimento de gás.

Conforme explicado previamente, a geração de gotículas precisa ser aumentada somente durante a duração intermediária do sopro, e uma grande quantidade de geração de gotículas durante os estágios inicial e final do sopro não é, portanto, preferida. Para uma operação de lança como esta, um controle da vazão através do furo central é exigido, e, como dito anteriormente, isto não é possível com o mesmo suprimento de gás oxigênio para todos os bicos. Assim, na presente invenção, foi provido um suprimento de gás separado e controlável para o furo central. Todos os outros 6 bicos supersônicos periféricos podem compartilhar o suprimento de gás a alta pressão.

Assim, a presente invenção provê uma lança aperfeiçoada para aciaria LD, compreendendo uma pluralidade de bicos supersônicos periféricos dispostos em volta de um eixo central da lança, ditos bicos periféricos sendo providos com uma linha de suprimento de gás a alta pressão de entrada única; bem como, um bico subsônico de convergência central provido com uma linha de suprimento de gás a baixa pressão separada, onde aquele bico subsônico de convergência central é adaptado para o controle da vazão do gás através dele para variar a geração de gotículas de metal líquido durante o sopro de acordo com uma exigência de processo de aciaria LD e onde dita linha de suprimento de gás para a pluralidade de bicos supersônicos periféricos e a dita linha de suprimento de gás para o bico subsônico de convergência central são providas com duas válvulas de controle separadas com atuadores para controlar a vazão através das mesmas.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS ANEXOS

A invenção será agora descrita com referência às figuras dos desenhos, onde:

Figura 1 mostra o arranjo esquemático de um projeto de lança com 6 (seis) furos.

Figura 2 apresenta um arranjo geométrico típico de um bico supersônico.

Figura 3 exibe um esboço esquemático de um convertedor LD.

Figura 4 mostra um esboço esquemático da lança com 7 (sete) furos, com uma linha de suprimento de ar separada utilizada nos experimentos em modelo hidrodinâmico.

Figuras 5(a) e 5(b) são fotografias exibindo alcance de geração de gotículas no caso de uma lança existente com 6 (seis) furos e uma lança de 7 (sete) furos da presente invenção.

Figura 6 mostra uma representação esquemática do mecanismo de geração de gotículas.

Figura 7 ilustra as taxas de geração de gotículas com uma lança de 7 (sete) furos com diferentes vazões.

Figura 8 mostra o modelo computacional e a malha usada para a simulação numérica.

Figura 9 fornece uma visão mais de perto dos bicos.

Figura 10 apresenta os contornos de velocidade para a lança de 7 (sete) furos com ângulo de inclinação de 17,5° e com a presença de paredes do convertedor e da superfície de metal.

Figura 11 apresenta os contornos de temperatura com choques nos bicos com ângulo de 17,5°.

Figura 12 apresenta os contornos de velocidade que ilustram a posição de impacto na superfície do metal.

Figura 13 mostra contornos de velocidade em diferentes locais axiais (a) X = 0,5 m; (b) X = 1,0 m; (c) X = 1,5 m; e (d) X = 2,0 m.

Figura 14 ilustra o diagrama esquemático daquele domínio com condições de contorno usadas para a simulação de ambiente de alta densidade.

Figura 15 mostra contornos de densidade de mistura próximos da saída do bico em um instante de tempo.

Figura 16 mostra perfis de taxas de fluxo de momento em locais axiais diferentes (a) saída do bico; (b) 0,5 m; (c) 1,5 m; e (d) 2,5 m.

Figura 17 ilustra a representação esquemática de um projeto de lança de 7 (sete) furos.

Uma vez que se observou que o furo central aumenta a geração de gotículas, os mecanismos de geração de gotículas foram estudados através de experimentos em modelo hidrodinâmico, num modelo em escala reduzida 1:6, com o furo central conforme exibido no esboço esquemático da Figura 3. Foi usado um modelo em escala reduzida de 1:6 do convertedor LD feito com plexiglas. Os modelos em escala reduzida dos projetos de lanças existentes e propostos foram feitos de modo a estudar as vantagens do furo central no que diz respeito ao aumento da geração de gotículas.

A parte superior do convertedor é feita de aço inoxidável, onde as porções cilíndrica e inferior do convertedor foram feitas de plexiglas para ter a transparência necessária para a visualização dos experimentos. A lança é constituída de cobre com a facilidade de colocar projetos diferentes de pontas de lanças para investigação.

A lança em escala reduzida foi projetada possuindo seis bicos periféricos com um bico central como exibido na Figura 4. Há duas linhas de ar separadas, a linha 1 é conectada a todos os seis bicos periféricos externos, ao passo que a linha 2 é conectada ao bico central. A vazão pelo furo central foi controlada separadamente por meio de um conjunto de reguladores de pressão e um rotâmetro de fluxo de ar conectados em série, ao passo que a vazão pelos seis bicos periféricos foi controlada através de outro conjunto de reguladores de pressão e rotâmetro de fluxo de ar. A inclinação dos bicos periféricos com o eixo central foi investigada a 17,5° (como existente na prática), e igualmente a 22°, usando-se duas pontas de lança 3 diferentes.

Aqueles mecanismos de geração de gotícula foram investigados quando todos os sete furos estavam em operação, e foram feitas comparações somente com os seis bicos periféricos em operação. Nas Figuras 5(a) e 5(b), a intensidade de geração de gotículas é mostrada para os casos do sopro apenas pelos bicos periféricos e o sopro por todos os 7 (sete) furos, respectivamente.

Pode-se perceber visualmente que o alcance de geração das gotículas é muito maior com o furo central, em operação em conjunto com os bicos periféricos, do que apenas com os bicos periféricos.

Observou-se durante os experimentos que há uma vazão crítica depois da qual se tem início à geração das gotículas. O mecanismo para a taxa acelerada de geração de gotículas, devido à presença do jato central, é explicado esquematicamente na Figura 6. Aquele jato central colide com o metal líquido verticalmente e cria forte depressão central da superfície líquida. A depressão, assim formada, é ondulada por natureza e proporciona “lábios para fora da pá de água central”, como mostrado esquematicamente na Figura 6. Os lábios de água, assim formados ao redor da pá, são então separados pelos jatos laterais e geram uma maior produção de gotículas. Também se considerou que tais jatos laterais igualmente impedem que a espuma de escória entre no espaço central entre os jatos periféricos no convertedor real, e, portanto, assegure que o jato central com seu alto momento atinja a superfície do banho metálico e permita a produção de gotículas de maneira similar à representada esquematicamente na Figura 6.

A quantificação da geração de gotículas foi estudada a fim de se entender a vazão ideal a ser dada através do bico central para maximizar a taxa de geração de gotículas. A taxa de geração de gotículas é medida mediante a colocação de um recipiente de coleta com dimensão 400 x 100 x 50 mm , e as medições foram realizadas para a lança de seis bicos existentes, e a nova lança de sete furos com um bico central. A dimensão do recipiente foi decidida para medir a geração de gotículas efetiva em volta de um único bico dos seis bicos periféricos. A taxa de geração de gotículas é expressa em termos da taxa de massa de gotículas coletada (g/s) no recipiente.

A taxa de geração de gotículas foi estudada para várias vazões, pelo bico central, para selecionar aquela vazão ideal, através do bico central, para maximizar a geração de gotículas. A razão de vazão, X, é definida como as razões de vazão pelo furo central para um bico de um dos bicos periféricos.

Fluxo pelo bico central

X =-----------------------------x 100

Fluxo por um dos bicos periféricos

A taxa de geração de gotículas plotada contra a razão de vazão é mostrada na Figura 7. Variou-se a vazão pelo bico central de uma razão de vazão baixa de até 25% até alta de até 125%.

A vazão ideal, através do bico central, é obtida, mantendo-se o equilíbrio entre uma melhor geração de gotículas e o controle de respingos e salpicos por causa de transbordamento de banho na boca do convertedor. Fica bem evidente que, à medida que tal vazão, pelo furo central, progressivamente aumentou, a taxa de geração de gotículas foi aumentada. A Figura 7 mostra que para uma razão de vazão X de 1 (100%), dada pelo bico central, a geração de gotículas praticamente dobra e atinge um valor máximo. Além desta vazão, houve respingos e transbordamentos vigorosos na boca do modelo de água do convertedor LD que é detrimental para a operação do convertedor LD. Assim, a partir dos experimentos em modelos hidrodinâmicos, a razão de vazão ideal, X, pelo furo central, é decidida como aquela que maximiza a taxa de geração de gotículas, mas sem respingos e transbordamento no convertedor.

Simulações numéricas foram efetuadas usando o suporte lógico de dinâmica de fluido computacional comercial, FLUENT, a fim de estudar as características dos jatos que emanam da lança de sete furos, explicadas antes, com seis furos periféricos e um furo central. O ângulo de inclinação dos jatos periféricos foi escolhido como sendo 17,5° como o valor inicial e é o mesmo dos projetos de lanças de seis furos existentes. Um bico subsônico central foi adicionado para realizar as previsões de fluxo de jato pelos motivos discutidos previamente.

Para reduzir o tempo computacional das simulações numéricas para o novo projeto de lança, somente a metade do domínio do fluxo total foi simulado, dividindo-se todo o domínio usando o plano médio vertical daquele convertedor. Destarte, dois jatos supersônicos completos e dois meios jatos supersônicos foram numericamente simulados. O jato subsônico central foi também simulado como um meio jato. As dimensões de bicos supersônicos da Figura 2 foram mantidas com dimensões antigas, isto é, diâmetro de entrada: 32,7 mm, diâmetro da garganta: 25,7 mm, e diâmetro de saída: 37,3 mm.

Uma vez que a vazão ideal obtida a partir dos experimentos no modelo hidrodinâmico foi unitária, dito bico subsônico foi projetado com um diâmetro de saída maior (54 mm), se comparado com o do bico supersônico periférico (37,3 mm). Isto é necessário de modo a empurrar a mesma vazão de massa pelo bico subsônico central e por um dos bicos supersônicos.

Para acomodar um maior bico central, o diâmetro do tubo da lança teve que ser aumentado em 100 mm se comparado com as dimensões de lança existentes. A vazão em volume pelo bico subsônico central foi mantida praticamente a mesma de um dos jatos supersônicos periféricos. Isto significa que a vazão de massa por um dos bicos supersônicos na periferia, comparada com a do bico subsônico central, é diferente. Isto acontece pelo fato de que, em virtude do fluxo supersônico nos bicos externos, a temperatura de saída do bico cai até 150 K. Devido a isto, a densidade do gás na saída dos bicos supersônicos torna-se muito maior, dado que a pressão é praticamente uniforme em qualquer lugar no convertedor. Para o jato central subsônico, essas temperaturas baixas na saída do bico não são atingidas.

Visto que se pretende variar o fluxo pelo bico subsônico central durante o sopro, a razão da vazão através do bico subsônico para a de um bico supersônico é mantida como uma variável. Para manter os esforços numéricos pequenos, decidiu-se estudar o fluxo induzido pelos jatos somente para duas razões de vazão em termo de volume. Essas foram escolhidas como sendo 1,0 e 0,5. Os resultados das simulações são dados a seguir para razão de vazão em volume de 1,0.

Nas Figuras 8 e 9, o modelo computacional e a malha utilizada para a simulação numérica do projeto de lança com sete furos sugerido acima são mostrados. Mais de 1,3 milhões de nós da rede foram empregados em tais simulações dos fluxos de jato. As simulações foram efetuadas com modelo k-ε padrão. 12 processadores de um grupo Linux “tera-flops” foram usados para a simulação e levou cerca de 72-80 para concluir uma simulação de fluxo. Sabese bem que o modelo de turbulência k-ε prevê as características de fluxo dos múltiplos jatos com alguns desvios do fluxo real, porém os desvios não são grandes. Entretanto, é fácil obter soluções razoáveis rapidamente com modelo k-ε com curto tempo computacional. Por este motivo, este modelo foi usado.

Na Figura 10, os contornos de velocidade no plano de simetria, para o caso da lança com sete furos, são mostrados na presença de paredes do convertedor e da superfície do metal, para o ângulo de inclinação dos bicos periféricos de 17,5°. Na simulação numérica, assumiu-se a superfície do metal como sendo uma camada horizontal livre de tensão. Nota-se pela Figura 10 que os jatos seguem seu caminho geométrico bem de perto e a interação entre eles é pequena. Pode-se visualizar pela Figura 10 que tais jatos interagem somente nas elevações intermediárias.

Há apenas uma pequena interação dos jatos perto da superfície do metal. Isso é devido à zona de estagnação central na superfície do metal. A maior pressão de estagnação nesta região empurra os jatos para fora e reduz a coalescência.

Na Figura 11, aqueles choques formados nas pontas do bico do projeto da lança de sete furos estão mostrados pelos contornos de temperatura. Pode-se notar que há menores choques também na saída do bico subsônico. Isto é por causa das diferenças na temperatura entre o ambiente e a saída do bico e às menores diferenças de pressão. Isto pode ser reduzido aumentandose o ângulo da seção de convergência do bico. Para as presentes simulações, o ângulo é mantido em 10°.

Na Figura 12, os contornos de velocidade são plotados no plano de simetria para ilustrar as posições de impacto dos jatos sobre a superfície do metal. As projeções geométricas dos jatos são também ilustradas na superfície do metal líquido por círculos escuros. Pode-se ver que estes jatos praticamente seguem o caminho geométrico, e a coalescência é mínima, devido à presença do jato central e da região de estagnação inferior. Na Figura 12, os contornos de velocidade são ilustrados apenas para as magnitudes de velocidade menores do que 150 m/s. Pode-se observar que os jatos supersônicos e o jato subsônico central alcançam o banho de metal líquido quase com as mesmas magnitudes de velocidade, ainda que as velocidades de saída nas respectivas zonas fossem diferentes.

Já que o diâmetro de saída do bico subsônico é maior (54 mm) do que o diâmetro de saída do bico supersônico (37,3 mm), as velocidades mais próximas do banho de metal se coincidem.

Na Figura 13, aqueles contornos de velocidade são plotados em distâncias axiais diferentes da ponta do bico para a lança de sete furos. Podese observar a partir da Figura 13 que até na distância axial de 1 m, as interações entre os jatos são mínimas. A uma distância de 1,5 m, existe uma considerável interação entre os jatos, porém a região de estagnação inferior empurra os jatos para fora e a coalescência é reduzida em 2 m. As raias mostradas na Figura 13 (d) são atribuídas à presença do jato central.

O gás no jato central tem de passar pelos jatos supersônicos em volta, visto que o mesmo não poderá passar através da superfície do metal (na simulação). Esse tipo de característica de fluxo poderá deixar de acontecer no convertedor real, em virtude de assumir-se na simulação a superfície do metal como sendo uma parede plana isenta de tensão. No referido convertedor LD, o impacto do jato central criará uma depressão, que mudará as características de fluxo completamente.

Para explicar o efeito da espuma de escória nas características do jato, os resultados do jato simples são aqui discutidos. A provável faixa de valores de densidade ambiente (espuma/emulsão) possíveis no convertedor LD foi calculada, assumindo-se uma taxa de descarbonetação uniforme por todo o sopro. Decorre daí que a fração volumétrica da escória média na espuma dentro do convertedor será na faixa de 12-15%. Isto resultaria numa faixa de densidade ambiente média de 360-450 kg/m .

O domínio numérico e as condições de contorno utilizadas são mostrados na Figura 14. O diâmetro do convertedor requerido para um único bico axi-simétrico foi calculado usando-se 1/6 da área seccional transversal do convertedor original (porque, de seis bicos, somente um está sendo simulado). Ademais, a superfície do metal líquido foi assumida como sendo uma parede plana sem cisalhamento. A altura da lança (distância entre a ponta do bico e a superfície do metal líquido) é de 3,5 m, a fim de estudar o comportamento do jato por uma longa distância axial. A altura da lança real no convertedor varia de 1,5-2,2 m.

As simulações foram feitas usando um RANS não estacionário axi-simétrico 2D com um modelo multifásico de volume de fluido (VOF) para rastrear a interface entre as fases. Não foi feita nenhuma diferenciação entre o gás oxigênio e o gás monóxido de carbono. Consequentemente, somente uma fase gasosa foi considerada. Usa-se modelo de turbulência k-ε Realizable para aproximar o sistema de equações. O algoritmo PISO foi usado para casamento de pressão - velocidade. Um esquema de discretização de segunda ordem com avaliação à montante foi utilizado para todas as variáveis de fluxo, exceto pra temperatura, para a qual o esquema de lei de potência é empregado. A fração volumétrica de escória média (15%), computada da taxa de descarbonetação estacionária, é alterada no domínio do convertedor como uma questão inicial. Durante a computação, a escória fica livre para mover-se por todo o domínio, dependendo das condições de fluxo local, diferente da simulação anterior. As forças da tensão superficial também não foram incorporadas nesta simulação, quando se entra num ambiente estável, aquele jato de gás com alta velocidade invoca fluxo no ambiente também.

Devido ao momento transferido ao ambiente, o fluido ambiente adjacente ao limite do jato começa a deslocar-se na direção predominante do fluxo do fluido do jato. Assim, o fluido ambiente nos locais vizinhos move-se para o jato, em virtude deste fluxo induzido pelo jato. Escória junto com o gás ambiente corre até o limite do jato devido ao fluxo induzido pelo jato. Aqui, a escória se acumula e a fração volumétrica/densidade local cresce. O momento transferido do jato impõe movimento à escória e lentamente a escória cobre o núcleo do jato em alta velocidade. Os contornos da densidade da espuma de escória perto da ponta do bico são plotados na Figura 15, a fim de demonstrar o acúmulo de escória na ponta do bico e o seu movimento ao longo do jato.

A taxa de fluxo de momento resultante (pV) em diferentes locais axiais é ilustrada na Figura 16 num instante de tempo particular. Cabe salientar que a taxa de fluxo de momento máximo não ocorre no eixo do jato, mas fora dele na direção radial como mostrada na Figura 16. O núcleo a alta velocidade do jato bombeia continuamente o momento para a camada de cisalhamento do jato tanto convectivamente como difusivamente. A velocidade no eixo é ainda a máxima em qualquer local axial.

Logo, o transporte difusivo de momento axial na direção radial ( ) será para a camada de cisalhamento a partir do eixo do jato. Uma vez que o jato está se espalhando, a velocidade radial, v, será em direção à camada de cisalhamento dentro do jato, e, deste modo, o transporte convectivo líquido de momento na direção radial (puv) será também para a camada de cisalhamento.

Uma vez que a densidade do fluido da camada de cisalhamento (escória + gás) é muito alta, se comparada com a do gás do jato, a camada de cisalhamento poderá armazenar fluxantes de maior momento, sem aumentar a velocidade enormemente, exatamente como em um armazenamento de energia térmica num reservatório com calor específico/capacitância térmica superior, sem notáveis diferenças de temperatura. Ademais, a gravidade está ajudando a camada de escória a ganhar momento, isto é, a camada de escória move-se na direção da aceleração gravitacional.

O momento transferido do núcleo do jato a alta velocidade até a camada de cisalhamento de alta densidade será em aditamento ao momento conferido pela aceleração gravitacional. A partir dos gráficos de taxas de fluxo do momento mostrados na Figura 16, a taxa de fluxo do momento na camada de cisalhamento de alta densidade é no mínimo 2 (duas) ordens de grandeza maior do que a do núcleo do jato a alta velocidade. Fica claro pelas discussões acima que a espuma de escória-gás de alta densidade presente no convertedor LD possui alguns aspectos de fluxo interessantes dos jatos de gás supersônicos. O entendimento das depressões criadas durante o sopro pode ser completamente alterado.

É importante notar que os múltiplos jatos supersônicos dentro do convertedor de aço LD também será sujeito a tais características mostradas anteriormente, por causa da presença de espuma de escória de alta densidade. É claro pelas discussões acima que os jatos supersônicos periféricos perderão todo o seu momento para a camada de escória adjacente a eles. As camadas de escória mover-se-ão em direção ao banho de metal líquido com um momento muito alto e criarão perfis de depressão complicados. No entanto, por causa da presença do jato central no novo projeto com sete furos, a pressão no interior do espaço entre os jatos supersônicos impedirá o aprisionamento nesta região.

Portanto, o jato central não verá, ou verá de maneira mínima, a espuma de escória, e, diferente dos jatos supersônicos, ele não perderá o seu momento completamente para a espuma de escória. Logo, o jato central atingirá a superfície do metal líquido com velocidades muito altas, se comparadas com aquelas dos jatos supersônicos, e espera-se produzir mais gotículas. Este tipo de produção de gotículas não é possível com o projeto de lança de seis furos, ume vez que todos os seis jatos supersônicos perderão completamente o seu momento para a camada de escória que se move de forma relativamente lenta. Fica claro pelas discussões acima que o projeto de sete furos é mais eficiente do que o projeto convencional de seis furos.

Uma modalidade da presente invenção com um projeto de sete furos está representada esquematicamente na Figura 17. Esta mostra seis jatos supersônicos periféricos com um jato central. O jato central deve ser controlado separadamente com uma linha de suprimento de gás separada, ao passo que os jatos supersônicos periféricos terão uma única linha de suprimento de gás de entrada. A linha de suprimento de gás para os seis jatos supersônicos periféricos e a linha de suprimento de gás para o jato subsônico central são providos com duas válvulas de controle separadas com atuadores. Aquele jato central pode ser posto em operação durante diferentes estágios do sopro e a vazão também pode ser variada de acordo com a exigência do processo, uma vez que ele é um bico subsônico.

A vazão através do bico subsônico central é mantida como uma variável. Nas simulações numéricas e experimentais, a razão da vazão em termo de volume através do bico subsônico central e a de um dos bicos supersônicos são mantidas como uma variável. O valor máximo desta razão é mantido como 1 em simulação numérica. As dimensões do bico central são calculadas tendose isto em mente. O diâmetro externo do bico subsônico é de 54 mm e o do bico supersônico é de 37,3 mm (valor existente).

O ângulo de inclinação dos jatos periféricos é mantido em 17,5% (o valor existente). A fim de ver o desempenho de uma lança de sete furos, com ângulo modificado para os jatos periféricos, um estudo foi realizado para uma disposição de jatos, com o ângulo em 22°, para a inclinação dos jatos laterais. Além disto, o ângulo de inclinação dos bicos supersônicos periféricos pode ser igual ou variado alternadamente. Angulo de inclinação variado alternadamente pode ter uma vantagem distinta. Como mostrado antes, a cobertura da espuma de escória na superfície do jato resulta numa velocidade menor do jato de gás, e a camada de escória cobrindo o jato atinge a superfície do metal líquido com alto momento. Este impacto da camada de escória no metal líquido criará uma grande quantidade de gotículas no metal líquido e criará área interfacial para reações escória-metal. Mantendo-se o mencionado ângulo de inclinação variado alternadamente, a área superficial do jato que é coberta com camada de escória pode ser aumentada, e mais escória pode atingir o metal líquido com um alto momento. É de se esperar que isso melhore as reações interfaciais, tal como a desfosforação.

Através das simulações numéricas e experimentais, assim como ao se considerar diferentes dinâmicas dentro do convertedor de aciaria LD, o projeto de lança de sete furos a seguir foi obtido numa modalidade preferencial. Este projeto é muito superior aos projetos existentes e pode exibir um melhor desempenho nas condições de fabricação de aço.

- Seis (6) bicos supersônicos periféricos com uma única linha de suprimento de gás.

- Um bico subsônico maior central com um suprimento de gás separado.

- O bico central pode ser posto em operação durante diferentes estágios do sopro, como necessário, e a vazão pode também variar facilmente, sem sofrer com a vida do bico.

- O ângulo de inclinação daqueles jatos periféricos é mantido em 17,5°. Este ângulo pode ser aumentado nas modificações posteriores.

Os recursos vantajosos da presente invenção fornecem melhor controle de liga/desliga do bico central durante o sopro, em virtude da linha de suprimento de gás separada. Isso dará um controle mais robusto dos respingos das gotículas de metal no convertedor.

O maior bico subsônico no centro da cabeça da lança é útil para controlar a vazão de oxigênio através do bico central. Isso significaria mais flexibilidade e controle ao longo do processo.

O sistema provê um aumento de geração de gotículas de metal.

Já que o jato central é protegido da espuma de escória pelos jatos periféricos, isso atingiria o banho de metal com altas velocidades e promoveria o aumento da geração das gotículas.

O sistema provê maior eficácia na desfosforação. A melhoria da geração das gotículas de metal promoverá as reações interfaciais, mais em particular, a desfosforação.

A presente invenção foi descrita com referência a determinadas modalidades que são somente ilustrativas, e não se destinam a ser limitativas. Modificações nos detalhes e formas podem ser feitas por aqueles versados na técnica sem fugir do escopo e do intento da invenção. Foi demonstrado que o objetivo de melhorar a desfosforação em processos de aciaria LD é alcançado aumentando-se a geração das gotículas de metal líquido. Em outras indústrias de processamento, onde pode haver outros objetivos, que também poderão ser alcançados aumentando-se a geração das gotículas de metal líquido, o sistema da presente invenção pode ser empregado.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Lança aperfeiçoada para aciaria LD, compreendendo:

uma pluralidade de bicos supersônicos periféricos dispostos em volta de um eixo central da lança, os bicos periféricos sendo providos com uma única linha de suprimento de gás a alta pressão (2) de entrada, sendo o gás de alta pressão suprido a uma velocidade supersônica na faixa de Mach 1 a 7 (1 < Ma < 7) e a uma pressão na faixa de 12 a 18 bar; e, um bico subsônico de convergência central provido com uma linha de suprimento de gás a baixa pressão (1) separada, sendo o gás de baixa pressão suprido a uma velocidade inferior a Mach 1 (Ma < 1) e a uma pressão na faixa de 2 a 6 bar;

caracterizada pelo fato de que:

a lança possui 6 bicos supersônicos periféricos posicionados equidistantes do furo central, onde seus furos são circulares;

o furo central possui um diâmetro de 54 mm e os furos dos bicos supersônicos possuem um diâmetro, cada um, de 37,3 mm;

a inclinação dos furos supersônicos é de 17,5° em relação ao eixo central, e os bicos supersônicos periféricos têm ângulos de inclinação iguais ou variados em relação ao eixo vertical da lança;

o diâmetro do tubo da lança é 100 mm maior do que o diâmetro das lança existentes;

o bico subsônico de convergência central é adaptado para o controle da vazão do gás através do mesmo para variar a geração de gotículas de metal líquido durante o sopro de acordo com uma exigência de processo de aciaria LD; e, a linha de suprimento de gás (2) para a pluralidade de bicos supersônicos periféricos e a linha de suprimento de gás (1) para o bico subsônico de convergência central são providas com duas válvulas de controle separadas com atuadores para controlar a vazão através das mesmas.

Petição 870180041735, de 18/05/2018, pág. 7/8
2. Lança de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o bico subsônico de convergência central é provido somente com uma seção de convergência.
3. Lança de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, 5 caracterizada pelo fato de que o bico subsônico de convergência central tem um diâmetro de saída maior do que o do bico supersônico periférico.

Petição 870180041735, de 18/05/2018, pág. 8/8

1/10

2/10

Suprimento de ar do bico central

Fig -4

3G

3/10

CL
4/10

Taxa de geração de gotícula (g/s)

Razão de vazão (%)
5/10

F/9 * 3

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6/10 __ ô 78b

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Fig - 11 & 8
7/10

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