UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA FILIPE CARVALHO PIRES

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO TECNOLÓGICO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA FILIPE CARVALHO PIRES SIMULAÇÃO DO ESCOAMENTO NA COIFA DE DESPOEIRAMENTO PRIMÁRIO DO CONVERTEDOR DA ACIARIA DA ARCELORMITTAL TUBARÃO UTILIZANDO CFD (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS) Vtóra 2009

2 FILIPE CARVALHO PIRES SIMULAÇÃO DO ESCOAMENTO NA COIFA DE DESPOEIRAMENTO PRIMÁRIO DO CONVERTEDOR DA ACIARIA DA ARCELORMITTAL TUBARÃO UTILIZANDO CFD (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS) Trabalho acadêmco apresentado ao Centro de Engenhara Mecânca da Unversdade Federal do Espírto Santo, como requsto parcal para obtenção da graduação em Engenhara Mecânca. Orentador: Prof. Dr. Rafael Luís Texera. Co-Orentador: MSc. Rafael Sartm Vtóra 2009

3 FILIPE CARVALHO PIRES SIMULAÇÃO DO ESCOAMENTO NA COIFA DE DESPOEIRAMENTO PRIMÁRIO DO CONVERTEDOR DA ACIARIA DA ARCELORMITTAL TUBARÃO UTILIZANDO CFD (COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS) COMISSÃO EXAMINADORA

4 AGRADECIMENTOS Prmeramente a Deus, que me crou e amou a tal ponto de ter mandado seu únco flho Jesus para que eu tenha uma vda eterna. Aos meus pas, que com amor lutaram para que eu pudesse chegar aqu. Aos meus rmãos que nas horas dfíces me ajudaram lutar pelos meus sonhos. Ao Engenhero MSc. Rafael Sartm, que concedeu horas de seu lazer em eternas smulações e nvestu tempo e dedcação neste projeto. Ao Engenhero Especalsta Vladmr Rangel Zanett, dedcando váras horas para me ensnar um pouco do muto conhecmento nestas áreas. Ao meu orentador Dr. Rafael Luz Texera, que muto me ajudou neste projeto. Aos Engenheros Sérgo Matted, meu coordenador, Antôno Luz Baldon, gerente da IUM, meus colegas e amgos aos que me deram todo o apoo e confança neste projeto. A ArcelorMttal Tubarão e funconáros, que vablzaram e deram total apoo na realzação deste trabalho. I

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6 RESUMO Neste trabalho é analsado o escoamento de gás de na cofa de despoeramento prmáro do convertedor da acara da sderúrgca ArcelorMttal Tubarão. Motvado pelo hstórco de falhas fornecdo pela equpe de manutenção da cofa, é gerado um modelo de smulação computaconal para melhor compreensão do perfl do campo de velocdades. Para este estudo foram utlzados os códgos computaconas contdos no ANSYS CFX e o gerador de malha ICEM CFD. No Capítulo 1 é explcado brevemente o processo sderúrgco dando ênfase ao processo de produção de aço e sstema de despoeramento nstalado na ArcelorMttal Tubarão. Neste capítulo é apresentada também a revsão bblográfca e o estado da arte. No Capítulo 2 é apresentada a modelagem matemátca das equações que governam os fenômenos de transporte para este caso. Incalmente são abordadas as equações geras de quantdade de movmento, da contnudade e na conservação de energa para um volume de controle. São também abordadas as condções de contorno e é adconado o termo de vscosdade turbulenta e os crtéros de convergênca utlzados no presente estudo. No Capítulo 3 são apresentados os resultados dos dos estudos presentes neste trabalho, sendo eles a análse do perfl dos campos de velocdade utlzando determnadas condções de contorno e a comparação deste perfl com outro obtdo consderando a varação da energa do gás. No Capítulo 4 são apresentadas as conclusões obtdas após analse de resultados, são sugerdas suposções sobre a relevânca das smplfcações adotadas no Capítulo 2 para este trabalho e são fetas recomendações para trabalhos futuros, para que com base nestas, possa haver uma maor evolução em trabalhos posterores. III

7 LISTA DE FIGURAS Fgura 1 - Representação randômca da dstrbução da propredade U... 8 Fgura 2 - Tela de nterface do usuáro do programa de montoramento da AMT(2009) Fgura 3 - Comparatvo da geometra da superfíce da cofa computaconal e real Fgura 4: Esquema mostrando convertedor em funconamento e reações que ocorrem Fgura 5 Gráfcos de propredades do gás LDG Fgura 6 - Superfíce de um volume fnto Fgura 7 - Demonstratvo de 3 dferentes malhas na superfíce de entrada da cofa móvel Fgura 8 - Gráfco exbndo a dferença das velocdades em 3 dferentes malhas em 4 seções Fgura 9 - Vetores velocdade na regão da cofa móvel após curva(a) e com magem amplada(b) Fgura 10 - Lnhas de corrente(a) e perfl de velocdade (b) na cofa móvel antes do dfusor. 22 Fgura 11 Demonstração de velocdade em plano perpendcular ao fluxo no níco da rampa(a) e vsta lateral(b). Seções de A à G Fgura 12 - Vetores velocdade da cofa fxa na seção HL(a) na parte externa(b) e nterna(c) da curva Fgura 13 Demonstração da velocdade na cofa fxa após curva na seção QRS: Vsta lateral (a); Vsta Isométrca(b) Fgura 14 Csalhamento entre a parede e o fludo(a) e lnhas de corrente em vsta Isométrca(b) na cofa fxa após curva na seção QRS Fgura 15 Demonstração da velocdade na sada da cofa fxa com condção openng: Vsta lateral (a); Vsta Isométrca(b).... Erro! Indcador não defndo. Fgura 16 - Comparatvo de velocdades sem e com troca térmca na seção x-z. (a) caso 1 e (b) caso Fgura 17 Comparatvo de velocdades na seção x-z. (a) Caso 1 e (b) Caso Fgura B. 1 - Sstema de resframento de gases demonstrando nformações de setores e pontos de referênca para o trabalho. As lnhas tracejadas são as lnhas onde foram gerados os perfs de velocdade para comparação entre as três malhas testadas Fgura B. 2 - Sstema de resframento de gases e convertedor.. Erro! Indcador não defndo. Fgura B. 3 - Esquema de dvsão em seções da cofa fxa Fgura B. 4 - Esquema de dentfcação dos tubos de refrgeração da cofa fxa Fgura B. 5 - Termografa realzada no da 31/07/2007 às 15h na cofa móvel e fxa do convertedor IV

8 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO METODOLOGIA MODELAGEM MATEMÁTICA Equações governantes Modelos de turbulênca Condções de contorno Crtéro de convergênca MODELAGEM NUMÉRICA Método dos volumes fntos Esquema de advecção Solução do sstema lnear de equações RESULTADOS E DISCUSSÃO MALHA UTILIZADA AVALIAÇÃO DE RESULTADOS Prmero Estudo Segundo Estudo CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES CONCLUSÕES CONSIDERAÇÕES PARA TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIA BIBLIOGÁFICA ANEXO A - PROCESSO DE PRODUÇÃO DO AÇO A.1 FLUXO PRODUTIVO DA SIDERURGIA... ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO. A.2 ACIARIA... ERRO! INDICADOR NÃO DEFINIDO. ANEXO B - DESCRIÇÃO DA COIFA DE DESPOEIRAMENTO PRIMÁRIO B.1 SISTEMA DE RESFRIAMENTO DE GASES V

9 1 1. INTRODUÇÃO No processo sderúrgco, o ferro gusa produzdo nos Alto-Fornos é transportados para fornos, comumente conhecdos como convertedores, para ser transformado em aço líqudo. O convertedor Forno de Oxgêno Básco, do nglês Basc Oxygen Furnance (BOF) conhecdo como LD em homenagem às cdades da Áustra, Lnz e Donawtz, onde fo testado pela prmera vez (Adams, 1974), basea-se na njeção de um jato de oxgêno no banho através de uma lança, para oxdação do ferro gusa. A função desta oxdação é ajudar a remover elementos secundáros contdos no banho tas como: carbono, slíco, manganês, fósforo e enxofre. Uma mstura mas efcente pode ser obtda pela njeção de um gás nerte, ntrogêno ou argôno, pelo fundo do convertedor. Os gases njetados, juntamente com resultado das reações de oxdação e combustão do monóxdo de carbono, são captados por uma cofa de resframento que conduz o gás ao sstema de lavagem de gás. Este é denomnado sstema de despoeramento prmáro. As prncpas atrbuções da cofa são: garantr a coleta dos gases, fornecer uma câmara para a combustão parcal ou total desses gases, refrgerar os gases até uma temperatura acetável para o encamnhamento destes ao sstema de controle ambental. Mas nformações sobre o processo sderúrgco pode ser consultado no Anexo A. As paradas de produção por ntervenções de manutenção geram um alto custo na produção de aço, pos além do volume de aço que dexa de ser produzdo, exste anda o alto custo da manutenção. Na execução da manutenção exstem gastos com mão de obra, compra e/ou aluguel de ferramentas e equpamentos e o própro valor da peça que está sendo trocada ou reparada. O prncpal componente que gera paradas de produção e ntervenções de manutenção de convertedores são os reparos e/ou trocas das paredes da cofa do despoeramento prmáro. Cofas de despoeramento prmáro de convertedores BOF estão sujetos a números problemas causados pelas condções de operação as quas são submetdas e estão detalhadas no anexo B. Os prncpas fatores que causam falhas em cofas de despoeramento de convertedores, em geral, estão dvddos em duas categoras (Phllps e Almeda 1998): () nefcênca da refrgeração dos tubos da parede, e () tensões nas paredes das cofas.

10 2 () A prmera categora de falha está assocada à quantdade e qualdade da água de resframento, que é proporconado pela falta de refrgeração dos tubos. As falhas podem ocorrer caso não haja transferênca de calor sufcente, em cada tubo de refrgeração, tal que esta possa remover a quantdade de calor necessára para resframento da parede metálca. Esse problema pode ocorrer devdo a uma baxa vazão, dstrbução nadequada de água ou obstrução nos tubos de refrgeração, que pode ser dentfcado pela termografa mostrada na Fgura B.4 do Anexo B. () A segunda categora se enquadra nas condções mas severas as quas uma cofa de despoeramento prmáro está submetda (Adams 1974). Nesta categora estão nclusos: corrosão, tensões térmcas e erosão. A corrosão é um processo químco que ocorre nas paredes metálcas da cofa devdo à reação de oxdação, o que contrbu para dmnução de espessura dos tubos. As tensões térmcas são geradas pelo resframento e aquecmento das paredes durante os cclos de operação, ou corrdas, dos convertedores BOF. As tensões provocam fadga térmca no materal da parede provocando trncas e rupturas no metal. A erosão é causada pela colsão do materal partculado, que está presente no gás exaurdo do convertedor durante o processo de sopro de oxgêno, com as paredes da cofa. O desgaste provocado tem grande contrbução nos problemas de falhas na tubulação. Com ntuto de se reduzr o custo de manutenção e amplar o desempenho dos equpamentos que compõe os convertedores BOF, mutos estudos têm sdo realzados, com propostas específcas sobre a compreensão das característcas físcas e operaconas dos equpamentos. Porém, a maora destes estudos tem como objetvo: analsar a njeção de oxgêno no banho, os tpos e a geometra de lança, a njeção de argôno pelo fundo do convertedor, o movmento do aço líqudo durante o sopro e durante o basculamento do convertedor, entre outros podem cta-se Sambasvam (2007) e Odenthal et al., (2007). Entretanto, foram encontrados os trabalhos de Phllps, et al., (1998), Junor, et al., (2001) e Furtado, et al., (2007) tratando da análse do desgaste na parede da cofa devdo à erosão do materal partculado contdo no gás. A grande dfculdade em se estudar o escoamento dos gases no nteror do despoeramento prmáro é a complexdade dos fenômenos físcos exstentes. Estes englobam a cênca da

11 3 mecânca dos fludos, transferênca de calor, reações químcas e trbologa. O prmero desafo é a obtenção dos padrões do fluxo turbulento na saída da boca do convertedor e na entrada da cofa. Para sso, é precso compreender toda a trajetóra do oxgêno que sa da lança e os gases gerados nas reações do banho. Esse processo corresponde a uma sére de eventos tas quas: as característcas da deformação da superfíce lvre do banho causados pelo mpacto do jato supersônco de oxgêno njetado pelo bco da lança, a pós-combustão de CO nclundo a transferênca de calor por radação, descarbonzação e troca de energa na nterface escóra aço e todas as reações químcas presentes no processo. Durante o escoamento no nteror da cofa, o gás sofre grande resframento através das paredes refrgeradas, o que provoca uma enorme varação de densdade durante o percurso. Esse fluxo térmco é dfícl de ser prevsto, pos a transferênca de calor por radação também está presente em todo trecho. Medções em campo apresentam grandes dfculdades, pos são lmtadas devdo às condções extremas onde mesmo com as melhores tecnologas de medção não são capazes de obter todos os dados requerdos. Outro fator é que apesar das propredades serem de possível medção, os nstrumentos não conseguem cobrr todo o domíno físco onde ocorre o processo. Em complemento a esses fatores, a segurança também é um grande lmtador dessas medções. Não exstem trabalhos expermentas aplcados para o escoamento no nteror da cofa, somente expermentos laboratoras com modelos físcos de água fra vsando o movmento da mstura do banho (Shv, 2006). Dessa forma, a ferramenta computaconal CFD (Computatonal Flud Dynamcs) vem despertando um nteresse crescente na ndústra, prncpalmente por envolver tempo e custos menores que métodos expermentas, além da possbldade vasta possbldades de solução dos mas varados fenômenos. Na sderurga, a aplcação da ferramenta CFD para solução de números problemas, tem sdo utlzada os quas podem ctar-se, Assunção et al.(2007), Schen e Jonsson (1998) e Roldan (2006). Em relação à acara, podem-se apresentar outros trabalhos como Hou e Zou (2005), Lucas, et al. (n.d.) e Peters (2007). Com tudo, Schlüter e Vogl (2007) descrevem que na atualdade, em vrtude das dfculdades de obtenção de dados expermentas, a smulação numérca CFD é o estado da arte na caracterzação do comportamento dos fenômenos de transporte presentes em acara.

12 4 A Sderúrgca ArcelorMttal Tubarão (AMT) tem um hstórco de falhas frequentes devdo ao desgaste nas cofas de dos dos três convertedores nstalados na acara, que são os convertedores 01 e 02. Foram 103 trocas de tubos de refrgeração da parede da cofa entre 2003 e 2008, totalzando um custo de manutenção e fabrcação acma de R$ ,00 para os dos convertedores. Os reparos nos tubos não estão contablzados neste valor, mas estma-se uma perda potencal de produção de R$ ,00 por hora de equpamento parado. O tempo de equpamento parado por consequênca de falhas na cofa é em méda de 80 horas anuas para cada convertedor. Estes dados foram retrados das planlhas das campanhas refratáras dos convertedores 01 e 02 da acara da ArcelorMttal Tubarão de 2003 a Baseado no hstórco de falhas das cofas dos convertedores da AMT, o objetvo deste trabalho é nvestgar, através da smulação numérca, as característcas do comportamento fludodnâmco dos gases de exaustão captados no despoeramento prmáro correlaconandoos com os desgastes ocorrdos nas paredes das cofas. Com base neste objetvo, foram estabelecdos os seguntes objetvos específcos: Analsar o escoamento do gás ao longo da cofa, dentfcando pontos crítcos e comparar com hstórco de falhas; Analsar nterferênca da temperatura no perfl do campo de velocdades escoamento do gás ao longo da cofa. Assm o trabalho é estruturado em: capítulo 2, onde são abordadas as modelagens matemátcas e numércas; capítulo 3, onde são fetas as análses dos resultados e fnalmente, no capítulo 5, são fetas conclusões e as perspectvas futuras deste trabalho.

13 5 2. METODOLOGIA Neste capítulo apresenta-se a modelagem matemátca e o método numérco utlzado na representação do modelo de campo de velocdade e temperatura do escoamento. Numa prmera etapa apresentam-se as equações da contnudade e quantdade de movmento, também conhecda como equações de Naver-Stokes, para o escoamento de um fludo. Apresenta-se uma vsão geral dos modelos de turbulênca, dentre eles elege-se o modelo utlzado, apresentando as suas equações governantes. Na seção do método numérco, analsase em proporções smplfcadas o método computaconal utlzado neste trabalho. 2.1 Modelagem matemátca As equações governantes utlzadas neste trabalho estão baseadas em três prncípos físcos da dnâmca dos fludos: Conservação da quantdade de movmento; Conservação de massa e Conservação de energa. Através da manpulação das equações correspondentes, pode-se analsar o comportamento dos fludos newtonanos Equações governantes As equações que regem o comportamento das propredades de um fludo newtonano, ou aproxmado como um, ao longo de um escoamento são descrtas por:

14 6 Equação da Conservação de Massa na equação 2.1 ( ) = 0 x U t + ρ ρ (2. 1) Já nas equações 2.2 a 2.4 são apresentadas as formulações da Conservação da Quantdade de Movmento ( ) δ ρ τ ρ ρ j j j j g x = x U U t U 3 +, (2. 2) onde, j k k j j x U P S δ µ µ τ + = (2. 3) e + = j j j x U x U S 2 1. (2. 4) A equação da Conservação de Energa é dada pela equação 2.5 ( ) H x p U t p x T k x = x h U t h c + + +Φ + + ρ ρ (2. 5) e p x T c x h =, (2. 6)

15 7 onde µ é a vscosdade molecular do fludo, g a constante gravtaconal, x as componentes das coordenadas, U a componente da velocdade na dreção, P é a pressão, ρ, µ lam, c p e k c são, respectvamente, a massa específca, a vscosdade molecular do fludo, calor especfco a pressão constante e a condutvdade térmca do fludo. H é a fonte de energa, Φ é a dsspação vscosa da energa e T a temperatura do fludo Modelos de turbulênca A turbulênca ocorre quando a nérca de um fludo começa a se tornar sgnfcante comparada com as forças vscosas, o que é caracterzado pelo alto número de Reynolds. Quando o escoamento é turbulento, o perfl de camada lmte é modfcado, o que causa uma dferença sgnfcatva no comportamento escoamento fnal. Para calcular tal fenômeno exstem três classes prncpas de modelos de turbulênca são elas: Smulação Numérca Dreta (DNS): smula o escoamento turbulento partr das equações governantes; Smulações de Grande Escala (LES): smula dretamente o escoamento de grande escala e modela os de pequena escala; e Equações Médas de Reynolds (RANS): resolve o escoamento lamnar médo e modela a turbulênca como um desvo desta méda. Como na maora dos casos de aplcações de engenhara não é necessáro obter resultados com grande precsão quanttatva com relação às menores escalas de turbulênca, mesmo porque, os métodos capazes de smular tal escala necesstam de grande esforço computaconal. Devdo à sso, neste trabalho adotou-se o modelo κ-ε para modelagem da turbulênca. Esse modelo fo escolhdo, pos é mas dfunddo pelos códgos computaconas por apresentar bons resultados e não necesstar de muto esforço computaconal. O modelo padrão κ-ε fo prmeramente desenvolvdo por Jones e Launder (1972), ele se basea na classe dos modelos de duas equações. Necessta-se então da ntrodução de modelos para modelagem da turbulênca. RANS, Reynolds Average Naver-Stokes, método proposto

16 8 por Osborne Reynolds em 1895, trata de manera estatístca as equações governantes na busca de uma melhor representação do escoamento turbulento. Esse tratamento consste na aplcação da decomposção das propredades envolvdas, na forma de valores médos e de suas flutuações, nas equações de conservação da quantdade de movmento e das demas equações que governam os fenômenos de transporte envolvdos em cada problema. A méda temporal da propredade é defnda pela equação φ = t t+ t t vdt (2. 7) onde t é um tempo nfntamente pequeno, todava nfntamente grande se comparado com as flutuações turbulentas. Separando o escoamento médo, das flutuações tem-se: φ = φ + φ (2. 8) Onde ϕ é uma propredade nstantânea do fludo, φ a méda temporal e φ a flutuação da propredade nstantânea, que por sua vez possu méda nula. Esta propredade é mas bem apresentada na Fgura 1. ϕ ϕ φ Fgura 1 - Representação randômca da dstrbução da propredade ϕ Fonte: Santos (2000) t

17 9 Utlzando este conceto de turbulênca e ntroduzndo nas equações de transporte, têm-se as equações médas temporas. As equações de conservação escrtas em termos de quantdades médas como apresentadas abaxo, assumem que as propredades ρ, µ lam e D m são consderadas constantes. A equação da Contnudade é apresentada na equação 2.9. U = 0 x (2. 9) Equação da Conservação da Quantdade de Movmento: U t ( U U j ) ( v v j ) + x + x = x p + ρ 2 3 µ lam ρ U x k k µ lam δj + 2 ρ Sj Onde: S j 1 U = 2 x j U + x j, v v j = τ turb j (2. 10) e p 2 µ U lam k + δ j + ρ ρ x 2 3 k µ lam ρ S j = τ lam j (2. 11) O termo adconal à equação da quantdade de movmento é chamado de fluxo turbulento. Mas especfcamente denomnado Tensor de Reynolds ( τ turb j ), onde as componentes da dagonal prncpal representam as flutuações das pressões dnâmcas e as demas componentes representam as tensões de csalhamento devdo às varações da velocdade. Nesse caso, o problema da modelagem é reduzdo ao cálculo do tensor das tensões de Reynolds e dos outros

18 10 fluxos turbulentos. Porém o cálculo dos tensores não é dreto, pos com a ntrodução de outra varável em um sstema estátco, este se torna hperestátco (nfntas soluções). Para soluconar, é necessáro nserr outra equação para tornar o sstema novamente estátco, solução que é denomnada problema de fechamento da turbulênca, a qual anda é consderada em aberto na físca contemporânea. Para tornar a descrção matemátca da turbulênca um problema com solução possível, é necessáro a utlzação de um número fnto de equações e a aproxmação das varáves desconhecdas em termos das quantdades conhecdas, o que caracterza a ordem do fechamento (Davdson 2004). Exstem algumas maneras de modelar os termos que surgem da ntegração proposta pelas equações médas de Reynolds. O modelo κ-ε segue a metodologa da vscosdade turbulenta conforme equações 2.12 e µ v turb t k τ j = δ j 3 κ + + ρ0 x k µ t 2 S ρ 0 j (2. 12) e κ ( U jκ ) + t x j = x u ju j p u + u u j 2 ρ U x j µ lam βgδ u T 2 ρ u u x j x j (2. 13) onde κ é a energa cnétca turbulenta e µ t a vscosdade turbulenta, função da ntensdade da turbulênca do escoamento. Os passos necessáros para a solução de um modelo κ-ε são: Inserr uma equação dferencal adconal para calcular κ; Inserr uma segunda equação dferencal adconal para calcular ε; Obter o valor da vscosdade turbulenta µ t pela equação µ t = 2 C ρκ µ ε (2. 14)

19 11 Onde Cµ é uma constante empírca, a qual é usual ser utlzado o valor de 0,09 (Launder e Spaldng 1974). K e defndo conforme equação 2.13 e o termo dsspação da energa cnétca turbulenta ε é calculado pela equação dferencal ε ( v jε ) + = t x x j j µ ε turb ε + ρσ ε x j κ ( C Ρ + C G ) 1 κ 3 κ C 2 2 ε κ (2. 15) Onde C1, C2, C3 e σ ε são constantes empírcas Condções de contorno A smulação computaconal fo realzada com base nos dados operaconas coletados no sstema de montoramento de processo da acara da ArcelorMttal Tubarão. Os dados foram escolhdos em um determnado nstante de operação do equpamento, quando este é submetdo ao regme mas severo de operação. A Fgura 2, mostra o regstro do processo do da 15 de março de 2009 de 17:07:33 a 17:11:25 h do convertedor 02. Os dados utlzados são os dados do nstante de fm do sopro de oxgêno (17:11:25 h) e estão lstados na Tabela 1. É váldo frsar, que as característcas geométrcas e operaconas dos convertedores 01 e 02 são dêntcas.

20 12 Fgura 2 - Tela de nterface do usuáro do programa de montoramento da AMT(2009). Sendo as lnhas as seguntes medções: Azul clara: temperatura de entrada da água de refrgeração em graus Celsus; Verde: temperatura de saída da água de refrgeração em graus Celsus; Vermelho: vazão de água de refrgeração em graus Celsus; Azul escura: vazão LDG em normal metro cúbco; Amarela: posção da válvula de sopro pêra ; Rosa: temperatura de saída do gás LDG em graus Celsus. Para a modelagem computaconal, algumas smplfcações foram fetas devdo às lmtações de recursos computaconas. Sera necessáro um super computador para processar os cálculos de uma modelagem que consdere exatamente todas as característcas geométrcas do equpamento e físcas do processo.

21 13 Tabela 1 - Dados retrados do programa de montoramento da acara da AMT. DADOS Temperatura de saída do LDG Vazão de Gás LDG Temperatura da água na entrada Temperatura da água na saída Vazão de água VALOR 748, 048 [ºC] , 491 [Nm³/h] 90, 152 [ºC] 105, 110 [ºC] 1714, 127 [Nm³/h] Fonte: AMT, 2009 A prmera smplfcação consderada para o modelo fo a geometra da cofa. A cofa, como ctado no Captulo 1, é formada por uma sessão de tubos em aço de baxo carbono que tem a função de resfrar o gás (ver Fguras 3(a) e 3(b)). Esta geometra tem uma área de contato com o gás de 786 m². Tal valor é quase 55% maor do que a área da cofa do modelo computaconal que é de 511 m². (a) Fgura 3 - Comparatvo entre geometra superfícal da cofa: (a) computaconal completa; (b)seção real da cofa ndcada na Fgura 3(a). (b)

22 14 O perfl de velocdades na entrada da cofa também fo smplfcado. O jato supersônco que sa da lança de oxgêno gera quantdade de movmento que mpulsona os demas gases gerados durante as reações químcas do sopro. Essa mstura resulta em um ambente onde os gases saem do convertedor num escoamento com grande ntensdade de turbulênca. A Fgura 4 mostra uma representação dos gases gerados no sopro que saem da boca do convertedor. Sabendo-se se que esse perfl de velocdades é complexo e de dfícl prevsão, opta-se opta por utlzar, na smulação computaconal, computaconal, um perfl de velocdades com dstrbução unforme na seção de entrada da cofa. Essa escolha anda é adotada pelo fato de não ter sdo encontrado trabalho publcado sobre o comportamento do escoamento de saída de convertedor durante o sopro. O gás utlzado zado é o LDG, que é o gás exaurdo pelo convertedor. Sua composção químca é mostrada na Tabela B.5. Os valores das propredades dos gases foram coletados na tabela de propredades termo físcas do lvro lvro Fundamentos de transferênca de calor e de massa (Incropera, 2008). Foram utlzadas curvas de tendênca do Excel para chegar a uma equação dependente da temperatura. Para o cálculo da densdade utlzou-se se um valor correspondente a uma pressão de 1 atm. Fgura 4: Esquema mostrando ando convertedor em funconamento e reações que ocorrem.

23 15 Vscosdade [kg/m-s] 8,0E-05 6,0E-05 4,0E-05 2,0E-05 0,0E+00 y = 2E-05e 0,000x R² = 0, Densdade [kg/m^3] 5,0E-01 4,0E-01 3,0E-01 2,0E-01 1,0E-01 0,0E+00 y = 367,8x -1 R² = Temperatura [ºC] Temperatura [ºC] Condutvdade Térmca [W/m-K] 1,5E-01 1,0E-01 5,0E-02 0,0E+00 y = 7E-05x + 0,005 R² = Cp [kj/kg-k] 2,0E+00 1,5E+00 1,0E+00 5,0E-01 0,0E+00 y = 0,000x + 1,176 R² = 0, Temperatura [ºC] Temperatura [ºC] Fgura 5 Gráfcos de propredades do gás LDG. Na parede é consderada a condção de não deslzamento e temperatura constante na face nterna. A condção de contorno de não deslzamento garante a velocdade nula do elemento fludo em contato com a parede da parede e a condção de temperatura, garante que a face nterna da cofa está a 110ºC, baseada em termografa, sendo desprezada a condução na espessura dos tubos. Na face de entrada a condção de contorno fo defnda como perfl unforme de velocdades. Nesta condção de contorno, a velocdade é consderada constante, dstrbuída por toda a face unformemente e a dreção dos vetores velocdade são normas à face defnda. Na condção de contorno para a face de saída da cofa, é consderada a condção de abertura ou Opennng. Nesta condção, o fluxo reverso é permtdo sendo calculado pela dferença de pressão entre a saída(p S ) e a pressão especfcada(p E ) para o domíno externo. Esta condção é dada pela equação 2.16 para escoamento de entrada(a) e de saída(b). O coefcente f é

24 16 representa o coefcente de perda que também é especfcado, para o presente estudo este fo desconsderado (f =1). 1 f ρ 2 2 U ps (a) p E + f U = ps p E = 2 1 ρ (b) 2 (2.16) Neste estudo são analsados dos casos. O caso 1 consdera o gás LDG entrando na cofa com a temperatura de operação (1800 ºC), mas despreza a transferênca de calor. As condções de troca térmca são consderadas no caso 2. A transferênca de calor entre a face nterna da cofa e o fludo é calculada somente pelo mecansmo de convecção, neglgencando o fenômeno de radação. Em ambos os casos é consderado escoamento monofásco. Esta consderação é feta devdo a ausênca de dados concretos da avalação granulométrca do materal em suspensão. Tas materas são de dfícl coleta, devdo à severdade do meo. Acredta-se que a partícula contrbu sgnfcatvamente no desenvolvmento das propredades ao longo do escoamento Crtéro de convergênca O crtéro de convergênca é um conjunto de regras em que baseado nele o códgo CFD encerra suas nterações. O crtéro adotado neste trabalho é de 400 nterações ou resíduo máxmo menor que 1e-4. Esses crtéros são recomendados para aplcações de pesqusas em engenhara conforme ANSYS CFX Theory Gude (2006). 2.2 Modelagem numérca A modelagem numérca tem por fnaldade soluconar as equações de Naver-Stokes em escoamentos reas, uma vez que a forma analítca somente é obtda para escoamentos smples e deas. Este procedmento de solução gera um conjunto de equações algébrcas a serem resolvdas por um algortmo de solução de equações lneares. Neste trabalho utlza-se o códgo computaconal ANSYS CFX 11.

25 Método dos volumes fntos O conceto do método dos volumes fntos envolve a dscretzação do domíno espacal em volumes de controle, também chamado de malha computaconal. As equações governantes são ntegradas ao longo de cada volume de controle e ao longo de um ntervalo de tempo (caso o problema seja transente), assm garantndo que as propredades (massa, quantdade de movmento, energa, etc.) sejam conservadas dscretamente para cada volume. Este procedmento gera um conjunto de equações algébrcas ou equações de dscretzação que contem os valores das propredades para um grupo de pontos contdos na malha computaconal. Esse conjunto de equações pode ser expresso na forma: nb a φ = b nb, (2. 17) Onde φ são os valores de uma propredade genérca, b os resultados, a os coefcentes das equações, é o ponto nodal em questão e nb sgnfca neghbohood, ou seja, vznhança. A Fgura 4 apresenta uma representação esquemátca de um volume de controle na malha computaconal utlzada no CFX. O volume de controle, representado pela área escura, contém apenas um ponto ou ponto nodal, onde todas as soluções das varáves e propredades fludas são armazenadas. E como pode se observar, cada ponto nodal está cercado por um conjunto de superfíces que compreendem o volume fnto nos nós do elemento. Fgura 6 - Superfíce de um volume fnto. Fonte: ANSYS CFX Theory Gude (2006).

26 Esquema de advecção Os termos convectvos são dfíces de ser analsados, pos a velocdade de convergênca e a robustez dos esquemas dependem das varáves do problema proposto. Devdo a estas dfculdades, exstem város esquemas para a dscretzação destes termos tas como método das dferenças centras, Upwnd, Quck e Power-Law (Versteeg, 1995). O CFX utlza o esquema denomnado Hgh Resoluton que é um modelo hbrdo entre o método upwnd de prmera ordem e segunda ordem. O esquema Hgh Resoluton utlza o coefcente Blend factor(β) ou fator de suavzação como forma de cambar a ordem dos métodos. Este esquema calcula o termo β localmente quando há um aumento brusco no gradente da propredade aproxmando naquele ponto a um esquema de prmera ordem evtando assm a dvergênca dos valores neste ponto. φ = up φ + β φ p (2. 18) Solução do sstema lnear de equações O ANSYS CFX utlza para soluconar os sstemas de equações lneares a técnca nteratva Incomplete Lower Upper (ILU) com Multgrd (MG) accelerated. Uma explcação mas detalhada é encontrada no ANSYS CFX Theory Gude (2006).

27 19 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Nesta seção apresenta-se a escolha da malha computaconal utlzada. Na seção analsase os padrões de escoamento numa condções onde a transferênca de calor é neglgencada dando ênfase em regões crítcas dentfcadas em hstórco de falhas, regões onde ocorrem velocdades altas e recrculação. Na seção é feto um comparatvo entre a smulação da seção e uma smulação consderando transferênca de calor, com ntuto de se observar a varação dos padrões de escoamento devdo a presença de gradentes de temperatura. 3.1 Malha utlzada A escolha da melhor malha é o prncpal problema na solução da dnâmca dos fludos computaconal. Quando esta é escolhda de manera ncoerente, traz dvergêncas entre o comportamento real e o comportamento numérco das propredades analsada. A escolha da malha fo baseanda na análse do campo de velocdades em determnadas seções do escoamento. A Fgura 7 demonstra a dferença vsual entre estas malhas tomando como ponto de referênca face de entrada do escoamento. Foram analsadas as malhas com aproxmadamente dos mlhões de nós(fgura 7a), um mlhão de nós(fgura 7b) e qunhentos ml nós(fgura 7c). Percebe-se ao analsar a Fgura 8, que em todas as malhas a regão próxma à parede possu a malha mas com um maor grau de refnamento. Isto se deve a uma ferramenta de geração de prsma contda no software comercal ICEM CFD 11.0, que fo usado como gerador de malha deste trabalho. O papel desta ferramenta é crar prsmas próxmos às regões escolhdas, aumentando a resolução da malha nesta regão e assm colaborando para a dmnução do erro. Para análse deste trabalho foram nserdos prsmas nas regões de contorno defndas como paredes. A Fgura 8 demonstra o comparatvo entre os perfs de velocdade das dferentes malhas. Percebe-se que há proxmdade nos resultados para maora das regões analsadas. Na seção 4 da cofa, nota-se dferenças entre as velocdades, vsto que nesta área ocorrem altas

28 20 velocdades do fludo, portanto crítca. Com base nessa análse, opta-se pela confguração da malha de maor quantdade de nós. (a) (b) (c) Fgura 7 - Demonstratvo de 3 dferentes malhas na superfíce de entrada da cofa móvel (a) 0 (b) (c) 0 (d) 2 mlhões de nós 1 mlhão de nós 500 ml nós Fgura 8 - Gráfco exbndo a dferença das velocdades em 3 dferentes malhas em 4 seções.

29 Avalação de resultados Nesta seção são mostrados resultados de dos estudos. No prmero estudo faz-se uma avalação sobre o comportamento do escoamento e compara-o com o hstórco de falhas, analsando quas seram as possíves causas destas falhas. No segundo estudo, são analsados as dferenças entre o escoamento do caso do estudo um com um escoamento com varação de temperatura explorando a nfluênca do perfl de temperatura no desenvolvmento do perfl de velocdades do escoamento. O anexo B traz nformações necessáras para o melhor entendmento das expressões e pontos de referênca ctados na presente seção Prmero Estudo A velocdade do fludo é a maor causadora de erosão em tubulações de despoeramento. O controle desta propredade auxla no entendmento da maora dos fenômenos de desgaste nestas tubulações. Neste caso, como ctado na seção 2.1.3, é consderada uma condção adabátca na parede nterna, ou seja, não há troca calor com o fludo. Portanto o fludo tem temperatura constante ao longo do escoamento. As propredades foram mantdas a 1800 ºC, temperatura de saída da boca do convertedor. A Fgura 9(a) mostra a entrada da cofa móvel, onde o fluxo entra com dstrbução unforme e tem a sua prmera mudança de dreção. Esta mudança provoca o descolamento da camada lmte do escoamento, gerando assm uma zona de baxa pressão, formando uma recrculação localzada nesta posção. São ndcados na Fgura 9(b) os vetores velocdade, dentfcando a recrculação. Esta recrculação é caracterzada como trdmensonal como pode ser vsta na Fgura 10. O fenômeno descrto acma, alado à quantdade de materal abrasvo transportado pelo fludo, gera uma zona de erosão ntensa que pode ser comprovado pelo hstórco de falhas do equpamento, que apresenta esta área como sendo crítca de erosão da parede. Este

30 22 fator crítco é atrbuído ao fato das falhas ocorrerem fora do tempo prevsto como pode ser vsto na Tabela B.4, que por consequênca gera uma possível parada de produção. PONTO DE FALHA CRÍTICA (a) (b) Fgura 9 - Vetores etores velocdade na regão r da cofa móvel após curva(a) (a) e com magem amplada(b). amplada(b) RECIRCULAÇÃO TRIDIMENSIONAL (a) (b) Fgura 10 - Lnhas de corrente(a) e perfl de velocdade (b) na cofa móvel antes do dfusor A velocdade do fludo na regão da cofa fxa é também alvo deste estudo. Conforme conhecmentos técncoss ndustras, para garantr o transporte de partículas em tubulações é necessáro que a velocdade de fluxo seja superor a 20 m/s.. Baseado nesta nformação, fo analsada a velocdade nas seções de A à G, onde segundo relatóros de manutenção (Tabela B.4), ocorre grande desgaste pelo escorregamento do partculado em zonas de baxa velocdade. Conforme Fgura 11 percebe-se percebe se a regão de baxa velocdade na parte nferor da tubulação, aproxmadamente m/s, porém alta sufcente para arrastar as partículas, se

31 23 baseado nos conhecmentos técncos. Possvelmente a geometra real da cofa, com a ondulação dos dutos, provoque uma zona de baxa velocdade nas regões próxmas à parede, afetando dretamente o transporte da partícula. Outro fator que deve ser consderado é o tamanho do partculado, que exste uma porcentagem com dâmetros de até 2mm e densdade que é próxmo de 4g/cm³. É mportante ressaltar que o materal é metálco, tal característca gera uma alta taxa de desgaste por erosão. PONTO DE BAIXA VELOCIADE G PONTO DE BAIXA VELOCIADE E CRÍTICO DE FALHAS A (a) Fgura 11 Demonstração de velocdade em plano perpendcular ao fluxo no níco da rampa(a) e vsta lateral(b). Seções de A à G. (b) Na seção HL da cofa ocorrem dos fenômenos semelhantes, porém, com consequêncas dstntas. A recrculação de fludo que ocorre na parte externa da curva é gerada pelo fluxo preferencal mostrado na Fgura 12(a). É possível que nesta regão o partculado da parte nferor da rampa entre nesta zona de baxa velocdade como lustrado na Fgura 12(b) e gere erosão smlar à que ocorre na cofa móvel. Esta erosão é dentfcada nos relatóros de manutenção do equpamento nesta seção. Na parede nterna da curva é gerado um descolamento da camada lmte, que produz uma zona de recrculação. Isso leva a conclur que a posção vertcal da parede, desfavoreça a erosão, porém o materal em crculação é uma das possíves geradoras de materal aderdo à parede, conhecdo como Cascão. O Cascão quando não controlado pode obstrur a passagem do gás, alterando os padrões do escoamento e possvelmente, afete a efcênca de operação do equpamento.

32 24 A seção QRS é caracterzada por altas velocdades devdo a mudança brusca de dreção do escoamento. Como pode ser vsto na Fgura 13(a), o escoamento por forças nercas tende a se projetar na parede superor do duto. Esta projeção causa uma erosão na superfíce de contato com o fludo. Percebe-se também pela Fgura 13(b) que o escoamento é assmétrco. A Fgura 14(a) mostra o csalhamento entre a parede e o fludo. Os pontos vermelhos desta Fgura são caracterzados por zonas de ntensa erosão e alto desgaste, segundo relatóros técncos de manutenção. Com a ocorrênca da assmetra do escoamento é gerado uma recrculação no plano y-z (Fgura 14(b)). É provável que, devdo a este fato, não ocorra erosão, mas sm a ocorrênca de cascão na parte nferor da seção QRS, o que é respaldado pelo hstórco de manutenção. L H (a) (b) (c) Fgura 12 - Vetores velocdade da cofa fxa na seção HL(a) na parte externa(b) e nterna(c) da curva. Q S R (a) (b) Fgura 13 Demonstração da velocdade na cofa fxa após curva na seção QRS: Vsta lateral (a); Vsta Isométrca(b).

33 25 (a) Fgura 14 Csalhamento entre a parede e o fludo(a) e lnhas de corrente em vsta Isométrca(b) na cofa fxa após curva na seção QRS. (b)

34 Segundo Estudo Neste segundo estudo, são comparados os dos Casos propostos no capítulo 2, a fm de observar a nfluênca da temperatura no perfl de velocdades do modelo estudado por este trabalho. Sabe-se que nas equações de quantdade de movmento e da contnudade, a densdade está presente em város termos. Portanto, como a densdade vara de acordo com a temperatura (Fgura 5) suspeta-se que esta mudança proporcone um gradente de temperatura que afete ntensamente o perfl de velocdades. O caso 2 propõe uma condção de térmca por convecção somente. Esta condção de contorno é feta através da fxação da temperatura da parede a 110 ºC, consderação que é respaldada pela termografa mostrada na Fgura B.5. Na Fgura 16 é mostrado o perfl de velocdade no plano x-z do escoamento no caso 1 e 2 respectvamente. (a) Fgura 15 - Comparatvo de velocdades sem e com troca térmca na seção x-z. (a) caso 1 e (b) caso 2. (b) Como a velocdade do fludo está dretamente relaconada ao fluxo volumétrco, e este dretamente relaconado à densdade, que por sua vez é dependente da temperatura, então, pode-se afrmar que nesse caso a velocdade está lgada dretamente à temperatura. As Fguras 16 e 17 apresentam uma comparação entre os campos de velocdades do caso 1 e 2. É possível observar que o padrão de escoamento é sgnfcantemente dferente entre os dos casos.

35 27 T T L L Fgura 16 Comparatvo de velocdades na seção x-z. (a) Caso 1 e (b) Caso 2. (a) (b) As Fguras 18(a) e (b) mostram a varação de temperatura ao longo do escoamento nos planos x-z e y-z respectvamente. Nota-se que exstem grandes gradentes de temperatura com dferentes varações em dferentes regões, evdentemente, correlaconados com a velocdade. Os resultados do campo de temperatura obtdos na smulação computaconal, não estão em comum acordo com o que ocorre no equpamento. A temperatura de saída, regstrada pelas medções de campo durante operação da cofa (ponto de aferção ndcado na Fgura 18), ndca um valor próxmo a 750º C, porém na smulação esse valor está em torno de 1350º C. Tal fato pode ser justfcado pela nfluênca da área total de transferênca de calor. Como menconado no Captulo 2, o modelo computaconal não consdera a ondulação da tubulação de refrgeração que representa uma área de contato com o gás acma de 50% em relação à área do modelo.

36 28 P T PONTO DE MEDIÇÃO DA TEMPERATURA G A L Fgura 17- Temperaturas no caso 2 para as seções:(a) x-z e (b)y-z. (a) (b)

37 29 4. CONCLUSÕES E PERSPECTIVAS FUTURAS Neste capítulo são descrtas as prncpas conclusões acerca do estudo realzado com este projeto de graduação. Além dsso, são sugerdas recomendações para futuros trabalhos vsando o aperfeçoamento dos resultados obtdos através das técncas utlzadas neste estudo e maores avanços na área de smulação computaconal de escoamento em cofas de despoeramento. 4.1 Conclusões Neste projeto foram analsadas as smulações numércas de um modelo computaconal smplfcado da cofa do despoeramento prmáro do convertedor 02 da acara da ArcelorMttal Tubarão. O modelo computaconal utlzado fo baseado nas equações da conservação da contnudade, da conservação de quantdade de movmento e conservação de energa que foram calculadas numercamente através do método dos volumes fntos. A turbulênca é modelada através do modelo k-ε. Devdo à alta complexdade da geometra real da cofa e a lmtação de recursos computaconas foram adotadas smplfcações do processo. Foram realzados três testes de malha na geometra e comparados entre s, optando pela malha de 2 mlhões de nós como sendo a mas próxma da solução convergda. As smulações foram fetas sob dos casos dferentes, Caso 1 e o Caso 2, em que são varadas as condções de contorno. Em um prmero estudo fo comparada a smulação da cofa no Caso 1 com os relatóros de troca de panés e manutenção da cofa, vsando dentfcar os possíves mecansmos de falha que ocorrem em determnada localzação. Em um segundo estudo fo comparado a nfluênca da varação de temperatura, gerada por troca térmca com a parede da tubulação, no perfl do campo de velocdades. No prmero estudo foram dentfcadas regões onde o escoamento teve um comportamento que propce falhas e então algumas hpóteses sobre os fenômenos causadores de falhas foram levantadas. No perfl do campo de velocdades fo observado um alto descolamento da camada lmte em todas as curvas do percurso do fludo, que geram zonas de baxa pressão e recrculação. Fo observada também uma zona de baxa velocdade na parte nferor da rampa.

38 30 Suspeta-se, ao comparar estas zonas crtcas com o hstórco de manutenção do equpamento, que exste quatro mecansmos com potencal de falha. No prmero mecansmo o fludo em recrculação, levando em consderação a alta concentração de partculado e a ação da gravdade, gera uma zona de erosão constante. Levando o equpamento à falha quando esta erosão perfura a parede do tubo. Este mecansmo fo dentfcado na parte nterna após curva da cofa móvel e no lado externo após rampa da cofa fxa. No segundo mecansmo ocorre também em zonas de recrculação é o de materal agregado à parede. Suspeta-se que pelas característcas do materal em suspensão, e a alta temperatura do fludo ocorra uma aglomeração do materal partculado gerando blocos de materal que aderem na parede formando um obstáculo para o escoamento, assm como, dfculta a transferênca de calor do gás para a parede. No tercero mecansmo é gerado pela baxa velocdade na parte nferor da rampa da cofa fxa. Neste mecansmo o materal perde energa cnétca ou por coldr na curva da seção HL ou por falta de velocdade para o arraste, escorre pela rampa. As característcas de erosão deste são semelhantes ao prmero. O quarto mecansmo ocorre pela erosão dreta. O fludo em alta velocdade colde com a parede da cofa, desgastando a mesma. Este mecansmo é de fácl prevsão e montoramento e ocorre nas parte superor das seções QRS, I e na curva externa da cofa móvel. No segundo estudo fo verfcado que a temperatura do gás LDG nfluênca no perfl do campo de velocdades do escoamento na cofa. Fo atrbuída esta nfluênca à varação de densdade sofrda pelo fludo durante o resframento. Os resultados foram satsfatóros, vsto que qualtatvamente foram condzentes com os dados relatados na analse dos relatóros de manutenção. Porém quanttatvamente os resultados foram nsatsfatóros. Uma análse feta na temperatura do modelo computaconal aponta que está muto acma do dado demonstrado na Tabela 1, para um mesmo ponto de aferção, ou

39 31 seja, a convecção somente não fo capaz de retrar calor do gás sufcentemente para resfrar à temperatura de 750 ºC. Isto supostamente é atrbuído às smplfcações da área e desconsderação da radação. 4.2 Consderações para trabalhos futuros Conforme descrto na seção 4.1, os resultados apresentados de um melhor aperfeçoamento para uma melhora na representação dos fenômenos de transportes em cofas de despoeramento. Foram ressaltados fatores relevantes acerca da modelagem realzada neste trabalho, que necesstam de uma nvestgação mas aprofundada, são eles: A geometra do modelo: como relatado neste trabalho, a área de troca térmca real em relação ao modelo computaconal é quase 55% maor. Portanto com sso espera-se que por consequênca desta dferença de área, a contrbução da troca térmca por convecção fo muto abaxo da real; A radação: mesmo com uma área maor, a quantdade de calor transmtda por convecção não sera sufcente para retrar a quantdade necessára de calor do fludo para que este chegue à temperatura aferda em campo. Segundo tese baseada em calderas flamo tubulares defendda por Galarça (2006), concluu-se que quanto maor o dâmetro da tubulação de gás, menor é a quantdade de calor transferdo por convecção e maor a por radação, podendo o segundo ser maor que o prmero para tubulações maores que 2 metros de dâmetro. Com sso levando em consderação a temperatura do gás e o dâmetro da tubulação, suspeta-se que esta tenha sdo a smplfcação que mas tem nfluênca na temperatura fnal; Perfl de entrada: o perfl de entrada da cofa móvel leva em consderação város fatores como o comportamento do banho durante o sopro, a entrada de ar falso, o ângulo de operação do convertedor. Este perfl de escoamento nfluenca possvelmente apenas na cofa móvel, pos na saída de cofa móvel há um dfusor que dmnu os efetos do perfl de entrada; Estudar propredades radatvas do gás LDG e smular o escoamento, analsando a nterferênca da radação no perfl de temperatura e velocdade.

40 32 Analsar característcas como granulometra e fluxo de partculados exaurdos pela cofa, para assm poderem ser consderado. Smular o escoamento completo levando em consderação todos os parâmetros. Estas consderações exgem uma carga computaconal ndsponível no cenáro da computação atual.

41 33 5. REFERÊNCIA BIBLIOGÁFICA Adams, Rchard W.BOF Steelmakng ANSYS Corp. CFX Solver Theory Gude Assunção, Charles, Geraldo Algusto C. França, e Cesareo de La Rosa Squera. Blast Furnance Ar Pre-Heater Gets a Thermal Boost Berger, K. "CFD smulaton of the carbon dust combuston n the COREX melter gasfer." Steel Research Internatonal, ago 2008: Boussnesq, J. Essa sur la theore des eaux courantes. Memores presents par dvers Savants a l Academe des Scences de l Insttut de France. França, Curban, Flávo. Estudo Da Dspersão De Poluentes Na Atmosfera Ao Redor De Um Prédo Isolado Através Da Smulação Das Grandes Escalas. Vtóra - ES, Davdson, P. A. Turbulence: An Introducton For Scentsts and Engneers. Oxford: Oxford Unversty Press, Decker, Koerch Rodrgo. Modelagem e Smulação Transente do Escoamento Gás- Sóldo. Campnas - SP, Furtado, Rômulo Góes, e Enno Rodrgues da Costa. Smulação Computaconal do Escoamenteo de Gases na Cofa da Acara da CST Galarça, Marcelo Moras. Transferênca de calor combnando radação e convecção no nteror de dutos de geradores de vapor flamotubulares Hou, Qnfu, e Zongshu Zou. Comparson between standard and renormalzaton group k-e models n numercal smulaton of swrlng flow tundsh. ISIJ Internatonal, Launder, B. E., and D. B. Spaldng. The numercal computaton of turbulent flows. Vol Launder, B. E., e B. I. Sharma. Applcaton of the energy-dsspaton model of turbulence to the calculaton of flow near a spnnng dsc. Letra n Heat and Mass Transfer, 1974.

42 34 Lucas, T., E. Harbers, P. EP Daves, and J. Mack. "The aplcaton of computatonal modelng to envroment nssues through the steel processng route." Odenthal, Hans-Jürgen, Jens Kempken, Jochen Schlüter, and Wllam H. Emlng. "Advantageous Numercal Smulaton of the Converter Blowng Process." Iron & Steel Technology, November 2007: Patankar, S. Numercal Heat Transfer and Flud Flow. USA: Hemsphere Publshng Corporaton, Peters, Tm. "Smulaton of multfase flow n the steelmakng ndustry." ICMF. Germany, Phllps, Duncan, and Carlos de Almeda. "Computatonal Flud Dynamcs (CFD) Modelng In Prolongng Hood Lfe." AISE - Prolongng BOF Hood Lfe. Nashvlle, TN, Rzzo, Ernandes Marco da Slvera. Noções Báscas de Sderurga. Vtóra - ES, Roldan, Davd et al. "Three-dmensonal CFD analss for blast furnance hearth wear." ISIJ Internatonal 46, no. 2 (2006): Santos, J. M. "Flow and Dsperson Around Isolated Buldngs." England, Schen, Du, and Par Jonsson. "A New Approach to model slphur refnng n a gas-stred ladle-a coupled CFD and thermodynamc model." ISIJ Internatonal 38 (1998): Schlüter, J, e N.(SMS Demag AG) Vogl. Applcaton of comutatonal flud dynamcs to steelmakng process. ATS Internatonal Steelmakng Conference. Pars, Versteeg, H. K., and W.. Malalasekera. An ntroducton to Computatonal Flud Dynamcs The Fnte Volume Method. Longman Scentfc & Techncal, 1995.

43 35 ANEXO A - PROCESSO DE PRODUÇÃO DO AÇO Bascamente, o processo sderúrgco pode ser dvdo em 4 (quatro) etapas (Rzzo,2004) que podem ser vsualzadas na fgura B.1: preparação da carga, redução, refno e lamnação. Fgura A. 1 Fluxograma da AMT Fonte: AMT (2009) Durante a prmera etapa de preparação da carga ocorre um processo de aglomeração de materas fnos (calcáro, mnéro de ferro e outros) chamado de snterzação. O resultado desse processo é um produto denomnado snter, que é uma fonte metálca para carregamento dos alto-fornos. Já o carvão é processado na coquera e transforma-se em coque. Na segunda etapa de redução as matéras-prmas preparadas são carregadas no alto forno. O ar pré-aquecdo a uma temperatura de aproxmadamente 1000 C é soprado pela parte de baxo do alto forno. O coque assoca-se ao oxgêno que se desprende do mnéro com a alta temperatura, dexando lvre o ferro, produzndo calor que funde a carga metálca e dá níco

44 36 ao processo de redução do mnéro de ferro, transformando-o em um metal líqudo: o ferrogusa. O gusa é uma lga de ferro e carbono com alto teor de carbono. A tercera fase é processo de transformação do gusa em aço, que consste em dmnur os teores de carbono, slíco, fósforo, enxofre e ntrogêno e adção de elementos de lga para conferr as propredades desejadas. A quarta fase do processo de fabrcação do aço é a conformação e lamnação. O aço lqudo, é soldfcado em forma de tarugos ou placas para posteror lamnação. Após soldfcado, o aço é deformado mecancamente por equpamentos denomnados lamnadores, que o transforma em produtos sderúrgcos sem-acabados, como chapas grossas e fnas, bobnas, vergalhões, arames, perflados, barras. Em uma planta sderúrgca, uma parte da produção de gusa é transportada para fornos báscos a oxgêno (BOF), mas comumente conhecdos como convertedores, para produzr o aço líqudo. O convertedor é um vaso em forma de barrl revestdo nternamente de materal refratáro com capacdades de até 400 toneladas e temperaturas de banho 1800ºC. Uma lança sopra oxgêno puro na superfíce do metal funddo, que por oxdação ajuda a remover elementos secundáros contdos no banho como carbono, slíco, manganês, fósforo e enxofre. Uma mstura mas efcente é auxlada pela njeção de um gás nerte como ntrogêno ou argôno. Todos estes gases njetados e o resultado das reações de oxdação e parte da combustão do monóxdo de carbono são captados por uma cofa de resframento e lavagem de gás, para que possa ser reutlzado em outros processos. Estas reações produzem muto calor e grande quantdade de gases e poera. Na fgura A.2 é mostrado uma vsão esquemátca do processo da acara. A ArcelorMttal Tubarão (AMT), antga Companha Sderúrgca de Tubarão (CST), está localzada nos muncípos de Serra e Vtóra no estado do Espírto Santo. A Companha é líder mundal na produção de sem-acabados de aço, prncpalmente placas de aço. No ano de 2003 ncou uma nova fase de expansão com a nauguração do seu moderno Lamnador de Tras a Quente (LTQ), vsando prncpalmente o mercado nterno.

45 37 Fgura A. 2 Representação esquemátca de Operação da Acara. DEFINIÇÕES EM ACIARIA A escóra de acara é um subproduto da produção do aço. Este materal é portanto resultado da agregação de dversos elementos que não nteressam estar presentes no materal aço. Tem como característcas marcantes ser composta de mutos óxdos, como CaO e MgO e ser expansível, devdo às reações químcas desses óxdos..

46 38 ANEXO B - DESCRIÇÃO DA COIFA DE DESPOEIRAMENTO PRIMÁRIO B.1 Sstema de Resframento de Gases A cofa é um componente de conexão entre o convertedor e o sstema de lavagem de gases. Está localzada acma da boca do convertedor para permtr melhor captação dos gases, os quas, através da cofa fxa, são encamnhados para a torre de depuração onde acontece a prmera fase de saturação, com água. Esta depuração tem a função de resfrar o gás da temperatura em torno de 800ºC à 80ºC. A adequada operação do sstema da saa móvel, mantendo sua abertura menor possível, favorece todo o sstema de exaustão assm como contrbu para melhor qualdade do gás. Bascamente, o sstema de resframento de gases de uma acara é consttuído pelos seguntes equpamentos: Sstema de tratamento de gases, saa móvel, cofa móvel e fxa conforme o arranjo geral na Fgura B1.

47 39 (d) (c) (b) (a) Fgura B. 1 - Sstema de resframento de gases demonstrando nformações de setores e pontos de referênca para o trabalho. As lnhas tracejadas são as lnhas onde foram gerados os perfs de velocdade para comparação entre as três malhas testadas. Fonte: AMT (2003). Tabela B. 1 - Dados termo-físco da Cofa Fxa Construção dos panés Construção da cofa 10 tubos (polgonal) 16 panés Temp. da entrada dos gases 1800 ºC Temp. da saída dos gases 750 ºC Temp. máx. água entrada 95 ºC Temp. máx água saída 110 ºC Peso Pressão de água Vazão de água 66 t 21 a 23,35 bar 1600 m3/h

48 40 Altura Dâmetro externo dos tubos Espessura dos tubos Dâmetro na condção fra Comprmento na condção fra Dlatação máxma Vazão dos gases Pressão dos gases dentro da cofa 20,80 m 51mm 5 mm mm 42m 70mm Nm3/h 5 a 0 mmh2o Fonte: Campanha Refratára 2003 AMT (2003) Tabela B. 2 - Comparatvo De Reparos Prevstos E Programados Na Cofa ITEM 1 PREVISTA REALIZADA TUBOS 2 Regão A e a 090 Regão G a 006 Entrada da CM a a 129 Cofa Móvel(CM) a a 107 Regão HL , 002, 004, 005 Regão Q a a 065 Regão T a 072 Fonte: AMT, relatóro de fnal de Campanha do Convertedor n º 02(2003) 1 Vde esquema de dvsão em seções da cofa fxa na fgura B.2 2 Vde esquema de dentfcação dos tubos de refrgeração da cofa fxa na Fgura B.4.

49 41 Fgura B. 2 - Esquema de dvsão em seções da cofa fxa. Fonte: AMT (2009) Fgura B. 3 - Esquema de dentfcação dos tubos de refrgeração da cofa fxa. Fonte: AMT (2009).

50 42 Tabela B.3 Especfcação Técnca do Sstema de Despoeramento Prmáro SISTEMA DE DESPOEIRAMENTO PRIMÁRIO Fornecedor IT./Baumco Volume de gás Nm3/h Dâmetro da Saa mm Dâmetro da C. Móvel mm Dâmetro da C. Fxa mm Velocdade na Saída da C. Fxa m/s 29,9 Dâmetro da C. Fxa mm Área C. Fxa m² 8,32 Temperatura na Saída da C. Fxa C 1000,0 Fonte: Relatóro técnco fornecdo pela Kawasak (2002) Tabela B.4 Especfcação Técnca do convertedor 02 da acara da ArcelorMttal Tubarão CONVERTEDOR 02 Fornecedor SMS Demag Tempo entre corrdas mn 40 Corrdas por da 45 Capacdade t/heat 315 Vazão de O2 Nm3/h Operação 1/2 Dâmetro da Boca mm Fonte: Relatóro técnco fornecdo pela Kawasak (2002)

51 43 172,7 C 100,0ºC SP01 31,7 C Fgura B. 4 - Termografa realzada no da 31/07/2007 às 15h na cofa móvel e fxa do convertedor 1. Tabela B.5 Composção do gás LDG em proporção de massa ELEMENTO PROPORÇÃO EM MASSA CO 69 % CO 2 15,4 % N 2 16,5 % H 2 O 0 % N 2 0% Fonte: Contract techncal specfcaton of gas recovery system (2002)