Orientador: Silvia Azucena Nebra de Perez / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-19T19:25:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_RogerioJoseda_D.pdf: 51939278 bytes, checksum: 9b2cad9e3b997c00688f52ad714e3e9b (MD5) Previous issue date: 1994 / Resumo: Este trabalho apresenta uma análise energética dos processos de fabricação de cimento Portland, tendo como base a avaliação de eficiência pela 2a Lei da Termodinâmica, em que são aplicados os conceitos de Eficiência Racional e Análise Termoeconômica. No trabalho são discutidas as principais características das matérias-primas utilizadas e as reações de seus compostos na fabricação do clínquer, principal constituinte do cimento Portland, bem como dos combustíveis, que afetam o consumo de energia do processo. As características dos quatros principais processos de fabricação de cimento, quanto à forma de preparação das matérias-primas, consumo específico de calor, e consumo de energia elétrica também são discutidas, obtendo-se subsídios para a análise de eficiência energética. Como resultados são apresentadas as comparações entre as eficiências exergéticas dos processos: de via úmida, de via semi-seca em Fomos Lepol, de via seca em fomo com preaquecedor de ciclones, e de via seca em fomo com precalcinador e preaquecedor. Também são apresentados os resultados da análise termoeconômica para os mesmos processos, em que se compara eficiência exergética, custo exergético unitário, custo da energia por quilograma de cimento produzido, etc. Por fim são comparadas as emissões de poluentes de cada processo, bem como discutidas as formas de atenuação em cada um deles / Abstract: This work presents an energetic analysis of the production processes of Portland Cement, based in the evaluation of the efficiency through the second law of thermodynamics and the concepts of rational efficiency and thermoeconomy. The characteristics of the raw materiaIs, the reactions of their compounds in the clinker manufacturing, and the fuels used are discussed, pointing their relations with the energy consumption in the processo The characteristics of the four main manufacturing processes are discussed, taking into account the preparation of the raw materials, the specific heat and electric energy consumption, getting informations for the energetic efficiency analysis. Results are presented about the exergetic efficiency of the four processes: wet and semi-wet kilns, Lepol kiln, dry process with cyclone preheater and precalciner. The results of the thermoeconomic analysis are presented for the same processes; the exergetic efficiency, the unit exergetic cost, the energetic cost of production, etc. The emissions of the pollutants in each process are shown and the ways of diminishing them are discussed. / Doutorado / Doutor em Engenharia Mecânica

Submitted by Omar Nonato (omar.nonato@saint-gobain.com) on 2012-07-26T11:58:29Z No. of bitstreams: 1 VALORIZAÇÃO DOS GASES DA CARBONIZAÇÃO DA MADEIRA VIA ROTA DE COMBUSTÃO.pdf: 1358413 bytes, checksum: 836ef646dc190719b246b4e3cc78345b (MD5) / Approved for entry into archive by Suzinei Teles Garcia Garcia (suzinei.garcia@fgv.br) on 2012-07-26T12:28:16Z (GMT) No. of bitstreams: 1 VALORIZAÇÃO DOS GASES DA CARBONIZAÇÃO DA MADEIRA VIA ROTA DE COMBUSTÃO.pdf: 1358413 bytes, checksum: 836ef646dc190719b246b4e3cc78345b (MD5) / Made available in DSpace on 2012-07-26T13:10:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 VALORIZAÇÃO DOS GASES DA CARBONIZAÇÃO DA MADEIRA VIA ROTA DE COMBUSTÃO.pdf: 1358413 bytes, checksum: 836ef646dc190719b246b4e3cc78345b (MD5) Previous issue date: 2012-06-27 / The production of vegetable coal from planted forests has changed in a significant way the logistics of this activity by endowing its scale and setting the structure of production, made of furnaces and peripherals. The logic of furnaces constructed to have the front side of the logging and moving along with it inasmuch as the crop is carried out was abandoned. Since then, it has been sought a way to harness the energetic availability contained in the gases of carbonization, which is still unused, and having, at best, a very weak and marginal benefit. This dissertation presents a lay out proposal for the Charcoal Production Unit (CPU) of traditional rectangular kilns in masonry designed and positioned so as to enable its coupling into a system of collection and flaring of carbonization gases. After an exhaustive literature review and technical visits to Know about different carbonization technologies, the project was elaborated, aiming to eliminate the limitations identified in the traditional technologies currently in use by companies with industrial scale production, reducing losses and operational difficulties in order to and maximize the use of gases. It is characterized by a gas flow through only one chimney installed at the bottom of the furnace, it has air intakes from process in mini chambers which operate avoiding excess of air, excessive wood flaring and the consequent excessive generation of CO2 and methane –two greenhouse gases. It is recommended the flaring gas from the carbonization for subsequent use in electricity generation and/or drying the wood before carbonization. The results of the technical and production indicators (cycles and productivity of the furnaces, etc.) obtained so far in the plant in operation have confirmed the operability of the set of the new provision designed ovens. There was no loss of productivity of the furnaces caused by the new provision, and the changes in furnace design did not impact negatively on its operating performance. The productive capacity of the unit has been confirmed so far. We had frustrated our expectations to present in this dissertation the operational results of the furnaces along with the flaring system of the gases since there was considerable delay in the construction of it, preventing us from having them before the deadline for the submission of the dissertation. We present the concepts that led us to the decisionmaking to the new lay out and we propose the continuation of studies corroborating the economic viability of the operating system, as soon as it comes into operation. / A produção de carvão vegetal a partir de florestas plantadas mudou de forma determinante a logística desta atividade dotando-a de escala e fixando a estrutura de produção composta por fornos e periféricos. A lógica de se ter os fornos construídos ao lado das frentes de exploração florestal, e se deslocando junto com ela à medida em que a colheita é realizada foi abandonada. A partir de então, tem-se buscado uma forma de aproveitar a disponibilidade energética contida nos gases da carbonização, que segue sem uso, tendo quando muito um aproveitamento incipiente e marginal. Esta dissertação apresenta uma proposta de lay out para a Unidade de Produção de Carvão (UPC) de fornos retangulares tradicionais em alvenaria projetados e posicionados de forma a possibilitar seu acoplamento a um sistema de coleta e queima dos gases da carbonização. Após exaustiva pesquisa bibliográfica e visitas técnicas para conhecimento de diferentes tecnologias de carbonização, elaborou-se o projeto, com objetivo de eliminar as limitações identificadas nas tecnologias tradicionais em uso atualmente pelas empresas com produção em escala industrial, reduzindo as perdas e dificuldades operacionais para aproveitamento dos gases. É caracterizado pela saída dos gases somente por uma chaminé instalada no fundo do forno, possui entradas de ar do processo em minicâmaras, que atuam evitando excesso de ar, queima excessiva de madeira e consequente geração excessiva de CO2 e metano – dois gases causadores de efeito estufa. Preconiza-se a queima dos gases da carbonização para uso posterior em geração de energia elétrica e/ou secagem da madeira antes da carbonização. Os resultados dos indicadores técnicos (ciclos dos fornos e produtividade, etc.) e de produção obtidos até o momento na planta em operação vêm confirmando a operacionalidade do conjunto de fornos na nova disposição concebida. Não houve perda de produtividade dos fornos causada pela nova disposição, e as modificações no projeto do forno não impactaram negativamente em seu desempenho operacional. A capacidade produtiva da Unidade vem se confirmando até o momento. Tivemos frustradas nossas expectativas de já apresentar nesta dissertação os resultados operacionais dos fornos juntamente com os do sistema de queima dos gases dado que houve considerável atraso na construção do mesmo impedindo-nos de tê-los antes da data limite de entrega da dissertação. Apresentamos os conceitos que nos levaram à tomada de decisão para o novo lay out e propomos a continuidade dos estudos comprobatórios da viabilidade econômica operacional do sistema, tão logo ele entre em operação.

Os finos de resíduos cimentícios (previamente hidratados) podem ser reciclados através de tratamento térmico, tornando-se um ligante alternativo. Quando tratados termicamente em temperaturas inferiores a 550ºC, o processo não gera emissões de CO2 relativas à descarbonatação do calcário. Esta pesquisa teve como objetivo reativar o cimento Portland de alto forno (CP III) previamente hidratado, desidratando-o em temperatura de 500°C com patamar de 2h e reidratando-o com teores de água e de dispersante variados. Inicialmente foram realizadas caracterizações a fim de comparar as características físico-químicas do cimento desidratado com o cimento anidro. Posteriormente, foram analisadas as transformações de fases observadas com a hidratação, desidratação e reidratação do cimento. A segunda parte do estudo foi de otimização das pastas reidratadas e hidratadas, onde foram definidas condições ideais de dispersão, com a saturação ideal de dispersantes e teores mínimos de água resultado em pastas com volume de poros menores e consequentemente resistências mais elevadas. Os resultados obtidos comprovaram que o cimento desidratado se reidrata e forma fases similares às fases formadas na hidratação, como C-S-H, portlandita, hidrotalcita, etc. O cimento de alto forno carbonata mais do que o cimento Portland (CP V). Devido à área superficial elevada (14 vezes superior ao do cimento anidro), o cimento desidratado libera calor de molhagem elevado, consequencia da recombinação da água com as fases desidratadas. Observou-se ainda que, é possível controlar a resistência à compressão da pasta reidratada, otimizando o volume de poros presentes nas pastas. As resistências das pastas reidratadas com dispersante aos 28 dias foram 2,37 vezes maiores quando comparados com sistemas aglomerados. Com relação a porosidade, há indícios que é possível obter níveis de porosidade para as pastas reidratadas semelhantes com a pasta hidratada. / The fines of cementitious wastes (previously hydrated) can be recycled through heat treatment, becoming an alternative binder. When heat treated at temperatures below 550°C, the process does not generate CO2 emissions relative to limestone decarbonation. The objective of this research was to reactivate the previously hydrated Portland cement (CP III), dehydrating it at a temperature of 500°C with a 2-hours plateau and rehydrating it with varying water and dispersant contents. Characterization was initially performed to compare the physicochemical characteristics of dehydrated cement (DC) with anhydrous cement (AC). Subsequently, the AC-HP phase transformations for DC-RP were analyzed. The second part of the study was the optimization of rehydrated (RP) and hydrated (HP) pastes, where ideal dispersion conditions were defined, with optimum dispersant and water minimum contents, resulting in pastes with smaller pore volumes and consequently more compressive strength high. The results confirm that the DC rehydrates and forms phases similar to the phases formed in the hydration, such as C-S-H, portlandite, hydrotalcite, etc. The blast furnace cement carbonate more than Portland cement (no additions). Due to the high surface area (14 times higher than that of the AC), the DC releases high wetting heat, due to the recombination of the water with the dehydrated phases. It was also observed that it is possible to control the compressive strength of the rehydrated paste by optimizing the pore volume present in the pastes. The strengths of dispersed pastes with additives at 28 days were 2.37 times higher when compared to agglomerated systems. With respect to porosity, there are indications that it is possible to obtain porosity levels for the similar rehydrated pastes with the hydrated paste.

Os finos de resíduos cimentícios (previamente hidratados) podem ser reciclados através de tratamento térmico, tornando-se um ligante alternativo. Quando tratados termicamente em temperaturas inferiores a 550ºC, o processo não gera emissões de CO2 relativas à descarbonatação do calcário. Esta pesquisa teve como objetivo reativar o cimento Portland de alto forno (CP III) previamente hidratado, desidratando-o em temperatura de 500°C com patamar de 2h e reidratando-o com teores de água e de dispersante variados. Inicialmente foram realizadas caracterizações a fim de comparar as características físico-químicas do cimento desidratado com o cimento anidro. Posteriormente, foram analisadas as transformações de fases observadas com a hidratação, desidratação e reidratação do cimento. A segunda parte do estudo foi de otimização das pastas reidratadas e hidratadas, onde foram definidas condições ideais de dispersão, com a saturação ideal de dispersantes e teores mínimos de água resultado em pastas com volume de poros menores e consequentemente resistências mais elevadas. Os resultados obtidos comprovaram que o cimento desidratado se reidrata e forma fases similares às fases formadas na hidratação, como C-S-H, portlandita, hidrotalcita, etc. O cimento de alto forno carbonata mais do que o cimento Portland (CP V). Devido à área superficial elevada (14 vezes superior ao do cimento anidro), o cimento desidratado libera calor de molhagem elevado, consequencia da recombinação da água com as fases desidratadas. Observou-se ainda que, é possível controlar a resistência à compressão da pasta reidratada, otimizando o volume de poros presentes nas pastas. As resistências das pastas reidratadas com dispersante aos 28 dias foram 2,37 vezes maiores quando comparados com sistemas aglomerados. Com relação a porosidade, há indícios que é possível obter níveis de porosidade para as pastas reidratadas semelhantes com a pasta hidratada. / The fines of cementitious wastes (previously hydrated) can be recycled through heat treatment, becoming an alternative binder. When heat treated at temperatures below 550°C, the process does not generate CO2 emissions relative to limestone decarbonation. The objective of this research was to reactivate the previously hydrated Portland cement (CP III), dehydrating it at a temperature of 500°C with a 2-hours plateau and rehydrating it with varying water and dispersant contents. Characterization was initially performed to compare the physicochemical characteristics of dehydrated cement (DC) with anhydrous cement (AC). Subsequently, the AC-HP phase transformations for DC-RP were analyzed. The second part of the study was the optimization of rehydrated (RP) and hydrated (HP) pastes, where ideal dispersion conditions were defined, with optimum dispersant and water minimum contents, resulting in pastes with smaller pore volumes and consequently more compressive strength high. The results confirm that the DC rehydrates and forms phases similar to the phases formed in the hydration, such as C-S-H, portlandite, hydrotalcite, etc. The blast furnace cement carbonate more than Portland cement (no additions). Due to the high surface area (14 times higher than that of the AC), the DC releases high wetting heat, due to the recombination of the water with the dehydrated phases. It was also observed that it is possible to control the compressive strength of the rehydrated paste by optimizing the pore volume present in the pastes. The strengths of dispersed pastes with additives at 28 days were 2.37 times higher when compared to agglomerated systems. With respect to porosity, there are indications that it is possible to obtain porosity levels for the similar rehydrated pastes with the hydrated paste.

Em alguns processos industriais, como é o caso da indústria aeronáutica e da indústria de rodas e pistões, a geração de sucata em forma de cavacos de alumínio, provenientes do processo produtivo, pode chegar a 95% da matéria prima original, como é o caso da fabricação de algumas peças de uma aeronave. A reciclagem de sucatas na forma de cavacos tem se mostrado uma alternativa interessante, tanto do ponto de vista do gerador, que tem na venda de sobras de produção uma forma de reduzir seus custos, como do mercado reciclador, que tem nesses materiais o suprimento de matéria prima para seus processos. Para obter elevados índices de reciclagem é necessário conhecer as técnicas adequadas para lidar com esse tipo de sucata. Devido à sua baixa densidade, sucatas leves assim alimentadas irão flutuar no banho e dessa forma serão facilmente oxidadas por exposição à atmosfera do forno de fusão, reduzindo substancialmente o rendimento metalúrgico do processo. Uma das alternativas mais eficientes que vem sendo utilizada é a refusão desse material em fornos tipo side well com alimentação de sucata em poço de vórtice. Esse tipo de forno metalúrgico se utiliza de uma bomba eletromagnética para movimentar o banho formado na sua câmara principal, fazendo-o passar por um poço externo onde cria um vórtice de metal líquido por onde a sucata é alimentada. Por esse método, promove-se a rápida submersão da sucata a qual é então conduzida pela corrente de metal líquido circulante para a parte inferior do banho metálico formado no interior do forno. Dentro deste contexto, neste trabalho realizou-se o estudo, desenvolvimento e teste de um conjunto alimentador de sucata de alumínio pelo conceito de poço de vórtice, utilizando tecnologia totalmente nacional. Assim, a pesquisa incluiu o desenvolvimento e construção de uma bomba eletromagnética (BEM) e o dimensionamento e construção de um poço de alimentação no qual é formado um vórtice de metal líquido onde a sucata é alimentada.

Orientador: Geralda Mendes Ferreira Silva Dalglish / Banca: Agnaldo Valente Germano da Silva / Banca: Carlos A. N. Camargo / Banca: José Leonardo do Nascimento / Banca: Camila Costa Lima / Resumo: Este trabalho se propõe a desenvolver fornos cerâmicos de baixo custo financeiro, com capacidade de alcançar patamares térmicos acima de 1200°C. Tal motivação parte de uma constatação observada, tanto na bibliografia sobre o tema e mercado, de um senso comum ratificador do uso de materiais refratários e isolantes industrializados, como única forma, ou forma ideal para se construir equipamentos capazes de atingir ou superar tal patamar térmico. Por mais que tomemos como base para o desenvolvimento deste estudo, características socioculturais e geográficas específicas de uma região (microrregião de São João Del Rei -MG, Brasil), elas se assemelham à realidade de muitos outros rincões do país, por este motivo acreditamos poder ele servir de ponto de partida para o desenvolvimento de experimentações na área da construção de fornos em outras localidades, valorizando e fortalecendo o intercâmbio de conhecimento entre diferentes culturas, contribuindo com a dimensão extensionista desta pesquisa. O foco no baixo custo de produção dos fornos se dá em função da associação de dois dados: a baixa renda per capita da maior parte da população regional e o alto valor destes equipamentos atualmente disponíveis no mercado, fato que limita o desenvolvimento da vertente da cultura ceramista conhecida como Cerâmica de Alta Temperatura. / Abstract: This work proposes to develop ceramic kilns of low financial cost capable of reaching above 1200 ° C. The motivation of this work is based on the fact that both in specialized bibliography and in the market, there is a common sense that says the use of refractory materials and industrialized insulation are the only way, or the ideal way, to build equipment capable of reaching or surpassing this thermal threshold. Although we take specific socio-cultural and geographical characteristics of a specific region (micro-region of São João Del Rei - MG) as a basis for the development of this study, we are convinced that they resemble the reality of many other corners of the country. Thus, we believe It can serve for the development of experiments in furnace construction in other localities, valuing and strengthening the exchange of knowledge between different cultures, contributing to the extensionist dimension of this research. The focus on the low cost of furnace's production is due to the association of two data: the low per capita income of most of the population and the current high value of these equipment available in Brazilian Market. In our understanding, this fact limits the development of the ceramist culture known as Cerâmica of High Temperature in national territory. In its structure, this work is divided in three segments: the first (chapter I) relates to the history of ceramic kilns' development; In the second (Chapter II) we seek to highlight the importance to the development of the ceramist culture of High Temperature of alternative and low cost furnaces construction; at least (Chapters III and IV) we bring concrete elements that present alternative ways to the production of refractory and insulation materials, as well as three different successful projects of low-cost furnaces for high-temperature firing ... (Complete abstract click electronic access below) / Doutor

O setor siderúrgico, assim como os demais setores da indústria, vem buscando alternativas para a redução dos custos de produção e aumento de produtividade. Em aciarias elétricas, os principais custos de produção do aço podem ser divididos, de forma simplificada, entre o custo dos insumos e o custo das matérias primas. Os refratários estão entre os cinco maiores custos na produção do aço em usinas semi-integradas. Entretanto, o conhecimento detalhado da microestrutura e do comportamento desses materiais ainda é bastante restrito aos seus fabricantes. Tendo em vista a importância dos refratários na produção do aço, este trabalho teve como objetivo gerar conhecimento acerca de sua microestrutura e comportamento em operação, com foco na diminuição do consumo e maximização dos lucros da empresa. Para tal, com o intuito de conhecer detalhadamente sua microestrutura e prever seu desempenho, foram realizadas análises de caracterização em laboratório e testes que simularam as condições de operação. Após os testes laboratoriais, os materiais selecionados foram testados em operação em forno elétrico a arco, buscando encontrar o melhor conjunto de materiais sob o ponto de vista de estabilidade do processo e custo de refratários. O cenário que apresentou melhores resultados em relação à performance e ao consumo específico foi a configuração A, onde foram utilizados os tijolos A, massa de soleira X, massa de reparo K e canal EBT P. Além disso, a substituição do tijolo C pelo tijolo A gerou uma redução de custo de 40%, e o conhecimento gerado com a caracterização do canal EBT proporcionou uma redução de 29,9% no preço desse item. / The steel industry, like other sectors of the industry, is seeking alternatives to reduce production costs and increase productivity. In electric steelworks, the main steel production costs can be divided, in a simplified way, between the cost of inputs and the cost of raw materials. Refractories are among the five largest costs in steel production in semi-integrated mills (mini-mills). However, detailed knowledge of the microstructure and behavior of these materials is still quite restricted to their manufacturers. Given the importance of the refractories in the production of steel, this study aimed to generate knowledge about their microstructure and behavior in operation, focusing on the reduction of consumption and maximization of profits. For that, in order to know in detail the microstructure and predict its performance, characterization analyzes and tests simulating the operating conditions were performed in the laboratory. After laboratory tests, the selected materials have been tested in operation in electric arc furnace, seeking to find the best set of materials from the point of view of stability of the process, and cost of refractories. The scenario that best results presented, in terms of performance and the specific consumption, was Configuration A, where bricks A, ramming mix X, repair mix K and EBT P were used. Moreover, the replacement of Brick B by brick A, generated a cost reduction of 40%, and the information gathered with the characterization of EBT, reduced the price of that item by 29.9%.

O Pó de Aciaria Elétrica (PAE) é um resíduo sólido originado na fabricação de aços em Fornos Elétricos a Arco (FEA), classificado como resíduo perigoso pela ABNT NBR 10004- 2004. Isto porque ele contém metais nocivos ao meio ambiente (como chumbo e cádmio), embora seja constituído, em sua maior parte, pelos elementos ferro, zinco e oxigênio. Devido aos custos onerosos para disposição e por tratar-se de resíduo perigoso, a indústria procura pela possibilidade de retorno ao processo produtivo do aço. Uma das alternativas é a reintrodução na aciaria elétrica através de aglomerados autorredutores como parte da carga do FEA. Neste trabalho, são produzidas misturas autorredutoras contendo PAE e coque de petróleo, apresentando as correspondentes caracterizações químicas e físicas. Através de ensaios termogravimétricos é feita uma avaliação do comportamento destas misturas, mostrando a possibilidade do emprego desta técnica na aferição prática do teor ótimo de coque, em aglomerados. Além disto, foram produzidas pelotas autorredutoras através do uso de um disco laboratorial, sendo as pelotas submetidas a testes físicos e mecânicos, com uso de aglomerantes e também testes de autorredução em fornos mufla e em aparato experimental. Como resultados destes experimentos pode-se concluir que o cimento Portland ARI e a combinação de cal hidratada com cinza de casca de arroz possuem melhor resistência a compressão frente aos outros ligantes utilizados. O grau de metalização obtido para a maior parte das amostras não passou de 35%. A remoção de zinco foi de aproximadamente 85%, para temperatura de 1100 ºC, com 45 minutos e com 10% de coque de petróleo. Isto indica a possibilidade de enriquecimento da nova poeira gerada em zinco. Fato este que agrega valor para tratamento do resíduo em outros processos externos. / The Electric Arc Furnace Dust (EAFD) is a solid waste generated by electric steelmaking, in Electric Arc Furnaces (EAF), being considered a hazardous waste by the Environmental Protection Agency. That is because of its harmful metals, although it is composed, in majority, by elements iron, zinc and oxygen. Due to high costs involved for its disposal and because it is a hazardous waste, industry seek for the possibility of returning the EAFD back to the steelmaking process. One of the alternatives is by reintroduction via electric meltshop through self-reducing agglomerates as part of the furnace burden. In this work, self-reducing mixtures of EAFD and petroleum coke were produced, showing as result corresponding chemical and physical characterizations. Using thermogravimetric tests, an evaluation of the mixtures behavior was carried out, demonstrating the possibility of using this technique in a practical measurement of optimal content of coke, in agglomerates. Furthermore, selfreducing pellets were pelletized using a laboratorial disc, with these agglomerates being tested in physical and mechanical strength essays, with different binders employed and also selfreduction tests in vertical electric furnace and experimental apparatus. As part of the results it could be concluded cement and the combination between hydrated lime and rice husk ash achieved the best results, in compressive strength, comparing to other binders. The metallization degree for almost all samples achieved a maximum of 35%. Zinc removal, for temperatures around 1100 ºC, in an experiment of 45 minutes and using 10% of petroleum coke, was approximately 85%. It indicates the dust to be enriched with zinc. This fact adds value to the waste for treatment in other processes.

Um modelo matemático para a transferência de calor no processo de refusão por eletroescória (ESR - \"electroslag remelting\") foi implementado a partir da equação diferencial de condução de calor transiente em coordenadas cilíndricas. A resolução numérica da equação diferencial foi facilitada através de uma mudança de variável que possibilitou fixar-se o tamanho do domínio de cálculo durante o período de crescimento do lingote. Duas análises foram conduzidas. Na primeira, uma análise paramétrica foi feita e na segunda um caso industrial foi analisado. Na primeira analise, a equação diferencial foi escrita na forma adimensional, indicando os parâmetros adimensionais importantes para o processo. Realizou-se um estudo paramétrico do modelo examinando-se o efeito de algumas variáveis de processo na geometria da poça de fusão, no tempo local de solidificação (LST) e no comprimento do lingote necessário para o sistema atingir um regime quase-estacionário. As variáveis de processo escolhidas para o estudo foram: (1) a taxa de refusão; (2) o tipo de material refundido e (3) as condições de extração de calor pelo molde. Os resultados mostraram que não é possível definir, para todas as condições industriais, uma única razão entre o comprimento e o raio do lingote no momento em que a poça de fusão atinge estado quase-estacionário. Observou-se ainda que o número de Stefan, que define o tipo de material, tem efeito desprezível na profundidade da poça de fusão e no tempo local de solidificação quando atinge valores maiores do que 0,5. Na segunda análise (caso industrial), o modelo foi usado para simular a refusão industrial de um lingote da liga ASTM F138. O perfil da poça de fusão e o fluxo de calor na interface metal-lingoteira foram medidos e apresentaram uma excelente aderência aos resultados do modelo. Os resultados apresentados permitem ainda a determinação (sob o ponto de vista microestrutural) do valor ótimo da taxa de refusão e do momento em que o processo atinge o estado quase-estacionário para uma ampla faixa de materiais, diâmetros de lingote e condições de transferência de calor adotadas industrialmente. / A mathematical model for heat transfer in the electroslag remelting process (ESR) was implemented using the transient heat conduction equation in cylindrical coordinates. The solution of the equations was facilitated by using a change of the axial coordinate, also known as the Landau transformation, which fixed the calculation domain size during the ingot growth period. Two analyses were carried out. In the first, a parametric study of the model was done, while in the second, the solidification of an industrial ingot was modeled. In the first analysis, the differential equation in dimensionless form indicated the important processing parameters, namely, the melting rate, the type of solidifying material, and the heat extraction to the mold. The effects of these parameters were examined on the pool profile geometry, local solidification time (LST) and length of ingot to reach quasi-steady state. The results showed that it is not possible to define, for all industrial conditions, a unique ratio of ingot length to ingot radius when the metal pool reaches the quasi-steady state. It was also observed that the Stefan number (Ste), which defines the type of solidifying material, had a negligible effect on the pool depth and on the LST for Ste > 0.5. In the second analysis, the model was used to simulate the solidification in the ESR process of an ingot made of the ASTM 138 steel. The geometric profile of the metal pool and the heat flux at the metal-mold interface were measured, showing reasonable agreement with the model results. Finally, the results given in the present work allow the definition (from a microstructural standpoint) of the optimum melting rate and the time to reach quasi steady-state for a wide range of industrial materials, ingot diameters and heat transfer conditions.

Orientador: João Andrade de Carvalho Júnior / Banca: José Antonio Perrella Balestieri / Banca: Pedro Teixeira Lacava / Resumo: Este trabalho apresenta um estudo da queima de material combustível sólido injetado nas ventaneiras de um alto forno. O estudo é baseado na queima de carvões minerais e misturas considerando as reações de combustão, os parâmetros da qualidade do carvão (teor em material volátil, cinzas, carbono e oxigênio) e a análise micro-estrutural dos resíduos gerados após a queima no simulador de combustão, montado no centro de pesquisas da Companhia Siderurgica Nacional. Foi avaliada a taxa de reação do carbono dos carvões e misturas queimadas em uma termo balança. Ficou confirmado no estudo que a taxa de substituição do coque metalúrgico pelo carvão queimado no alto forno é influenciada pela eficiência de queima e que, por sua vez, é significativamente dependente das suas propriedades e das condições operacionais do alto forno. Através dos resultados obtidos ficou comprovado que os carvões com alto teor em matéria volátil queimam com maior eficiência quando comparados com os carvões de médio e baixo voláteis, porém devido ao menor teor em carbono, a sua taxa de substituição foi menor quando comparada com os carvões baixo e médio voláteis. Os carvões com maior eficiência de queima e reatividade apresentaram menor taxa de substituição nos altos fornos, quando comparados com as misturas. A análise micro-estrutural realizada nos carvões e misturas confirmou a maior eficiência de queima nos carvões mais reativos. Quanto ao coque verde de petróleo, este se mostrou de baixa eficiência de queima; porém, quando misturado a carvões de elevada reatividade, o mesmo apresentou uma eficiência de queima significativamente maior. Os resultados tanto de qualidade de ferro gusa quanto da redução de consumo de combustível nos altos fornos foram satisfatórios quando se injetou a mistura com 50% de participação. / Abstract: This work presents a study on combustion of solid fuel injected in blast furnace tuyeres. The study is based on the combustion of mineral coals and blends considering the combustion reactions, the coal quality parameters (volatile matter, ash, carbon and oxygen content) and the micro structural analysis of the residues generated after coals and blends be burned it in the simulator, set up in the National Steel Company research center. The reaction rates of carbon for the coals and blends burned in a thermo balance were evaluated. It was confirmed in the study that the rate of coke replacement for the coal burned in the blast furnace is strongly influenced by the combustion efficiency, which is significantly dependent on properties and on operational conditions of the furnace. It was proven, with the obtained results, that the high volatile coals burn with higher efficiency when compared to medium and low volatile coals, but due to the lower carbon content, its replacement rate was lower when compared with low and medium volatile coals. The coals with larger combustion efficiency and reactivity presented lower replacement rates in the blast furnace, when compared with the coal blend. Micro structural analysis conducted in the coals and blends confirmed higher combustion efficiencies in more reactive coals. In relation to the green petroleum coke, it presented low combustion efficiences. However, when mixed with high volatile and high reactivity coals, its combustion efficiency was significantly increased. The results relative to the quality of the hot metal and to the reduction of fuel consumption in the blast furnace, when the blend had injected with 50% of the petroleum coke, were satisfactory. / Mestre