A presente tese teve como objetivo fornecer subsídios teóricos e experimentais com vistas à reciclagem da carepa gerada em usinas mini-mills através de briquetes autorredutores para uso em FEA. Para atingir os objetivos vislumbrados, o trabalho foi estruturado em quatro principais tópicos: estudo de caracterização e de redutibilidade da carepa, escolha e caracterização do redutor para uso nos briquetes, elaboração e caracterização da mistura e ensaios de laboratório para avaliação do desempenho dos briquetes autorredutores. Os estudos de caracterização da carepa indicaram que este resíduo é constituído principalmente de wustita e se apresenta estratificada em três camadas: camada externa fina e porosa composta de hematita e magnetita, camada intermediária de wustita densa e camada interna de wustita porosa. A cinética de redução da carepa foi investigada em termobalança no intervalo de temperatura entre 830 e 1200°C com CO puro e mistura 90%CO-10%CO2. A energia de ativação aparente encontrada nesses ensaios variou de 71 a 80 kJ/mol e as observações microscópicas demonstraram que a redução da carepa segue um modelo topoquímico. A escolha do agente redutor para compor o briquete se deu através de ensaios de gaseificação ao CO2 e de autorredução em termobalança com três tipos de material carbonoso. A partir desses ensaios observou-se a seguinte ordem decrescente de reatividade e respectivas energias aparentes de ativação: Carvão Vegetal (Ea = 237 kJ/mol), Carvão Mineral (Ea = 214 kJ/mol) e Coque de Petróleo (Ea = 335 kJ/mol). Em virtude da maior reatividade do Carvão Vegetal frente aos demais, este redutor foi escolhido para uso nos briquetes. A mistura utilizada na confecção dos briquetes autorredutores teve como constituintes principais a carepa, os finos de carvão vegetal e aglomerantes (melaço e cal). Ensaios de caracterização em termobalança com atmosfera oxidante e aquecimento rápido indicaram uma perda de massa de cerca de 40%, referente às etapas de secagem, desvolatilização e autorredução da mistura. Nesses ensaios, observou-se elevadas taxas de perda de massa da mistura e uma notável complexidade dos fenômenos envolvidos, com reações simultâneas de combustão, autorredução e de oxidação do ferro, prevalecendo uma ou outra, dependendo da temperatura e da fração reagida de amostra. Através de procedimentos que buscaram reduzir a complexidade dos fenômenos envolvidos nas condições oxidantes, foi possível estimar que a energia de ativação aparente de autorredução está entre 62 e 69 kJ/mol. Os briquetes produzidos em escala industrial foram submetidos a ensaios isotérmicos e não-isotérmicos de alta temperatura. Tais ensaios buscaram determinar os gradientes térmicos no interior do briquete, a energia de ativação aparente e o desempenho cinético do aglomerado em condições de temperatura que se aproximam da prática industrial. A partir das constatações concernentes às taxas das reações químicas individuais (redução e gaseificação), às medidas do perfil de temperatura no interior dos aglomerados, à energia de ativação estimada para o briquete (93 kJ/mol) e ao modelo de redução encontrado nos ensaios de alta temperatura, acredita-se que tanto a cinética de redução da carepa como a transferência de calor sejam obstáculos limitantes da cinética global dos briquetes em estudo. Finalmente, os resultados de metalização obtidos nos testes de alta temperatura dão indícios da possibilidade de uso destes briquetes em FEA. / This dissertation aimed to provide theoretical and experimental basis for recycling of mill scale generated in mini-mill plants through the use of self-reducing briquettes in EAF. To reach these goals, the work was structured around four main topics: characterization and reducibility study of scale, choice and characterization of the reductant to use in briquettes, elaboration and characterization of the mixture and laboratory tests to performance evaluation of self-reducing briquettes. The characterization studies of mill scale have indicated that this waste is composed mainly of wustite and is stratified into three layers with different morphologies: fine porous external layer composed of hematite and magnetite, intermediate layer of dense wustite and inner layer of porous wustite. The kinetics of scale reduction was investigated in thermobalance in a temperature range from 830 to 1200°C with pure CO and a mixture of 90% CO and 10% CO2. The apparent activation energy obtained in these tests ranged from 71 to 80 kJ/mol and the microscopic observations showed that the mill scale reduction corresponds to a topochemical model. The choice of the reductant for composing the briquette was made through tests of gasification with CO2 and of self-reduction in thermobalance with three different carbonaceous materials. From the results, it was observed the following decreasing reactivity order and the related apparent activation energy: Charcoal (Ea = 237 kJ/mol), Mineral Coal (Ea = 214 kJ/mol) and Petroleum Coke (Ea = 335 kJ/mol). Due to the higher reactivity of Charcoal in relation to the others, this reducer was chosen to be used in the briquettes. The main constituents of the mixture used in the manufacture of self-reducing briquettes were scale, charcoal and binders (melasse and lime). The characterization tests in thermobalance with oxidizing athmosfere and rapid heating indicated a mass loss of about 40%, referring to the stages of drying, devolatilization and self-reduction of the mixture. During these tests, it were observed high rates of mixture loss mass and a remarkable complexity of the phenomena, with simultaneous combustion, self-reduction and iron oxidation reactions, where their importance changes according to temperature and fractional reaction of the sample. Through the procedures that aimed to reduce the complexity of the related phenomena in oxidant conditions, it was possible to estimate that the self-reduction apparent activation energy ranges between 62 to 69 kJ/mol. The briquettes produced in the industrial plant were submitted to isothermal and nonisothermal tests of high temperatures. Such tests aimed to determine the thermal gradients into the briquette, the apparent activation energy and kinetic performance of the agglomerate in temperature conditions similar to the ones used in industrial practice. Based on the findings concerning the individual rates of chemical reactions (reduction and gasification), the measures of the temperature profile inside the briquettes, the activation energy estimated (93 kJ/mol) and the reduction model found in high-temperature tests, it is assumed that both the kinetics of mill scale reduction and heat transfer limit the overall kinetic rates of these briquettes. Finally, the results of metallization obtained in the tests conducted at high temperatures indicate the possibility of using these briquettes into the EAF.

Dissertação apresentada para obtenção parcial do grau de Mestre em Fundamentos e Aplicações da Mecânica dos Fluidos, na Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, sob a orientação do Prof. Doutor Carlos Manuel Coutinho Tavares de Pinho

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%.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Química, Florianópolis, 2009 / Made available in DSpace on 2012-10-24T12:54:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 278410.pdf: 4531823 bytes, checksum: 2b7956f473c263b41f571a121e9409d8 (MD5) / Esta investigação científica tem por objetivo o desenvolvimento de uma metodologia computacional capaz de simular e diagnosticar os perfis de temperatura e umidade em regime transiente durante a secagem de um produto cárneo. As simulações tridimensionais desenvolvidas envolveram as equações de transporte: conservação da massa, quantidade de movimento e transferência de energia. Este trabalho esta dividido em três etapas: na primeira etapa simulações numéricas utilizando fluidodinâmica computacional (CFD) foram realizadas para predizer as transferências de calor e massa durante o processo de secagem da linguiça calabresa em secador tipo túnel. Calcularam-se os coeficientes convectivos superficiais de transferência de calor e massa para a linguiça calabresa. O modelo permitiu prever as distribuições de temperatura e umidade no produto, e os resultados obtidos estavam de acordo com dados experimentais. A segunda etapa objetivou a predição do fluxo tridimensional isotérmico do ar em um forno industrial piloto de convecção forçada. O modelo CFD utilizado considera as equações da continuidade da massa, da quantidade de movimento e o modelo de turbulência .-e. O desempenho do modelo CFD foi avaliado por meio de medições pontuais de velocidade com um sensor de filme quente, sendo que os resultados simulados foram próximos às medições reais de velocidade do forno industrial. Com base nas etapas anteriores, a terceira etapa caracterizou-se pela secagem de um conjunto de trinta peças de linguiça calabresa no forno industrial piloto. O fluxo externo e os campos de temperatura foram determinados pelo pacote comercial Ansys-CFX®. A partir destas distribuições, determinaram-se os coeficientes superficiais de transferência de calor por convecção e com analogia entre as camadas limites térmica e de concentração, os coeficientes de transferência de massa. Além disso, utilizou-se o código desenvolvido para determinar as transferências de calor e massa para a obtenção das distribuições de temperatura e umidade na parte interna do produto ao longo do tempo. Os resultados obtidos a partir da presente análise foram comparados com os dados experimentais, e uma boa concordância foi observada. Os principais resultados demonstram que as metodologias empregadas, baseadas nas técnicas de CFD, estão aptas a reproduzir o comportamento fenomenológico das condições de secagem estudadas. / The objective this scientific investigation is the developement of a computational methodology that is able to simulate the transient profile of temperature and moisture during drying of meat product. The three-dimension simulation developed included the transport equations: mass, momentum and energy conservation. This work is organised in three steps: in the first step numerical simulation using computational fluid dinamics (CFD) were conducted to predict a couple heat and mass transfer during drying tunnel process of a calabresa sausage. The local heat and mass transfer coefficients were calculated around the calabresa sausage. The model allows calculating and predicting the temperatures and moisture content that agree with experimental data. The aim of second step, were predict the isothermal tri-dimensional air flow in the industrail forced-convection oven. The CFD model consists of the continuity, momentum and standard ê-å approach to model the turbulence flow. The performance of the CFD model was assessed by means of point measurements of the velocity with a hot-film anemometer sensor and a good agreement of the 3D flow pattern in a forced convection oven was found. Based ond the previous steps, the third step was characterized by drying of a set thirty pieces of calabresa sausage in industrial oven. The external flow and temperature fields are first numerically predicted through the comercial Ansys-CFX® package. From these distribuitions, the local distribuitions of convective heat transfer coefficients are determined, wich then used to predict local distribuitions of the convective mass transfer coefficients through the analogy between the thermal and concentration boundary layers. Also, the temperature and moisture distribuitions for different periods of time are obtained using the code developed to determine heat and mass transfer inside the moist material. The results obtained from the present analysis are comapoared with the experimental data, and a good agreement was observed. The main results demonstrated that the methodology, based on CFD techniques, was able to reproduce the phenomenological behavior of drying.The objective this scientific investigation is the developement of a computational methodology that is able to simulate the transient profile of temperature and moisture during drying of meat product. The three-dimension simulation developed included the transport equations: mass, momentum and energy conservation. This work is organised in three steps: in the first step numerical simulation using computational fluid dinamics (CFD) were conducted to predict a couple heat and mass transfer during drying tunnel process of a calabresa sausage. The local heat and mass transfer coefficients were calculated around the calabresa sausage. The model allows calculating and predicting the temperatures and moisture content that agree with experimental data. The aim of second step, were predict the isothermal tri-dimensional air flow in the industrail forced-convection oven. The CFD model consists of the continuity, momentum and standard ê-å approach to model the turbulence flow. The performance of the CFD model was assessed by means of point measurements of the velocity with a hot-film anemometer sensor and a good agreement of the 3D flow pattern in a forced convection oven was found. Based ond the previous steps, the third step was characterized by drying of a set thirty pieces of calabresa sausage in industrial oven. The external flow and temperature fields are first numerically predicted through the comercial Ansys-CFX® package. From these distribuitions, the local distribuitions of convective heat transfer coefficients are determined, wich then used to predict local distribuitions of the convective mass transfer coefficients through the analogy between the thermal and concentration boundary layers. Also, the temperature and moisture distribuitions for different periods of time are obtained using the code developed to determine heat and mass transfer inside the moist material. The results obtained from the present analysis are comapoared with the experimental data, and a good agreement was observed. The main results demonstrated that the methodology, based on CFD techniques, was able to reproduce the phenomenological behavior of drying.The objective this scientific investigation is the developement of a computational methodology that is able to simulate the transient profile of temperature and moisture during drying of meat product. The three-dimension simulation developed included the transport equations: mass, momentum and energy conservation. This work is organised in three steps: in the first step numerical simulation using computational fluid dinamics (CFD) were conducted to predict a couple heat and mass transfer during drying tunnel process of a calabresa sausage. The local heat and mass transfer coefficients were calculated around the calabresa sausage. The model allows calculating and predicting the temperatures and moisture content that agree with experimental data. The aim of second step, were predict the isothermal tri-dimensional air flow in the industrail forced-convection oven. The CFD model consists of the continuity, momentum and standard ê-å approach to model the turbulence flow. The performance of the CFD model was assessed by means of point measurements of the velocity with a hot-film anemometer sensor and a good agreement of the 3D flow pattern in a forced convection oven was found. Based ond the previous steps, the third step was characterized by drying of a set thirty pieces of calabresa sausage in industrial oven. The external flow and temperature fields are first numerically predicted through the comercial Ansys-CFX® package. From these distribuitions, the local distribuitions of convective heat transfer coefficients are determined, wich then used to predict local distribuitions of the convective mass transfer coefficients through the analogy between the thermal and concentration boundary layers. Also, the temperature and moisture distribuitions for different periods of time are obtained using the code developed to determine heat and mass transfer inside the moist material. The results obtained from the present analysis are comapoared with the experimental data, and a good agreement was observed. The main results demonstrated that the methodology, based on CFD techniques, was able to reproduce the phenomenological behavior of drying.The objective this scientific investigation is the developement of a computational methodology that is able to simulate the transient profile of temperature and moisture during drying of meat product. 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Based ond the previous steps, the third step was characterized by drying of a set thirty pieces of calabresa sausage in industrial oven. The external flow and temperature fields are first numerically predicted through the comercial Ansys-CFX® package. From these distribuitions, the local distribuitions of convective heat transfer coefficients are determined, wich then used to predict local distribuitions of the convective mass transfer coefficients through the analogy between the thermal and concentration boundary layers. Also, the temperature and moisture distribuitions for different periods of time are obtained using the code developed to determine heat and mass transfer inside the moist material. The results obtained from the present analysis are comapoared with the experimental data, and a good agreement was observed. The main results demonstrated that the methodology, based on CFD techniques, was able to reproduce the phenomenological behavior of drying.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica. / Made available in DSpace on 2012-10-24T14:13:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 263324.pdf: 26482312 bytes, checksum: f09a6972025de92503d439435e798ec8 (MD5) / Com o desenvolvimento de tecnologias de reducao de energia, vem surgindo no mercado diferentes tipos de fornos em substituicao aos fornos a lenha e de lastro eletrico, como medida da adocao de politicas ambientalmente mais corretas e mais economicas. A aplicacao destas tecnologias assiste a industria alimenticia no desenvolvimento de produtos de melhor qualidade, bem como, no estabelecimento de processos mais eficientes e no melhor controle dos processos existentes. Assim, o entendimento do impacto das diferentes condicoes de coccao sobre as transformacoes ocorridas no produto, associadas as suas propriedades sensoriais (textura, cor, sabor), torna-se uma ferramenta indispensavel para o desenvolvimento de novas tecnologias nesse setor. Alem disto, para o projeto de fornos de coccao, e necessario o conhecimento das propriedades termofisicas do produto. Neste contexto, este trabalho teve como objetivo estudar o impacto das diferentes configuracoes de um forno na qualidade da pizza, estabelecendo-se as melhores condicoes para a sua coccao e caracterizando-se os mecanismos de transferencia de calor predominantes e, ainda, determinar a condutividade e difusividade termica da massa da pizza durante a coccao. Para a realizacao deste estudo, foi construido o prototipo de um forno, consistindo em uma camara retangular (50 cm x 50 cm x 25 cm), cujas superficies tem suas temperaturas controladas independentemente, com um ventilador acoplado na sua parte superior. O impacto das diferentes configuracoes de um forno na qualidade da pizza foi estudado com base em 4 fatores: presenca ou ausencia de calor transferido por radiacao pelas superficies laterais do forno, presenca ou ausencia de calor transferido por radiacao pela superficie superior, presenca ou nao de conveccao forcada e dois materiais utilizados na base do forno, aluminio e pedra. Os parametros de qualidade avaliados para a pizza foram: textura da borda, cor, fator de seguranca em processos de aquecimento de alimentos e perda de agua. As superficies do forno foram fixadas a temperatura de 250C e o tempo de coccao, 10 minutos. O ventilador, quando ligado, foi fixado a uma frequencia de 35 Hz. A conveccao forcada contribuiu fortemente para o aumento de todos os parametros de qualidade avaliados: a cor, avaliada atraves de uma escala construida propriamente para este fim, teve um aumento 92%. A textura aumentou em 37%, a perda de agua, em 98% e o fator de seguranca, em 934%, em relacao aquelas pizzas assadas sem conveccao forcada. A radiacao pelo teto e a radiacao pelas paredes laterais tiveram efeitos estatisticamente iguais (¿=0,05) tanto para a textura da borda, quanto para a perda de agua e para o fator de seguranca. O tipo de forma utilizada teve influencia apenas no fator de seguranca, vii aumentando seu valor em 8%. Baseado nesses resultados definiu-se a seguinte configuracao para o forno: radiacao proveniente de todas as superficies, ventilacao no interior da camara e uso de pedra na base do forno, em contato com a pizza. Com esta configuracao foram ainda estudados tres niveis para a frequencia do ventilador (5, 20 e 35 Hz), para a temperatura (150, 250 e 350C) e para o tempo de coccao (3, 5 e 10 minutos). As pizzas assadas a 250C, por 5 minutos e com o ve ntilador a 20 Hz e as assadas a 250C, por 10 minutos e com ventilador a 5 Hz foram as que apresentaram melhores resultados em relacao a todos os parametros de qualidade. O mecanismo de transferencia de calor predominante sobre estas condicoes foi a radiacao, seguido da conveccao e da conducao. A difusividade termica da massa da pizza foi determinada pelas curvas de penetracao de calor, para diferentes tempos de coccao obtendo-se um valor medio de 2,1.10-7 m2/s para a massa assada ate o terceiro minuto e um valor medio de 3,0.10-7 m2/s para as assadas entre o terceiro e quinto minuto. A condutividade termica, determinada pelo metodo da sonda linear de aquecimento foi de 0,092W/mC para massas assadas em ate cinco minutos.

Neste trabalho foi realizado um estudo para verificar as melhores condições de vazão das atuais lanças supersônicas utilizadas no forno elétrico a arco 3 da Siderúrgica Riograndense. Também foi realizado um teste comparativo entre o modelo de lança supersônica atual e um novo modelo de injetor proposto. Para determinar as melhores condições de vazão das injetoras atuais, avaliou-se parâmetros como o consumo de oxigênio, energia elétrica, teor de FeO da escória, condições de desgaste do refratário e erosão dos bicos injetores. Para os testes comparativos com o novo modelo de injetores, foram usinados dois bicos de cobre com menor diâmetro de garganta. As novas pressões e vazões de oxigênio, tanto para o trabalho no modo alta vazão como para o modo purga, foram estabelecidas com base em estudos das características dos bicos utilizados atualmente. Os testes foram realizados em caráter comparativo no próprio forno 3. Nos atuais modelos de injetores utilizados, verificou-se que a pressão no modo purga deve variar entre 0,9 e 1,1 kgf/cm2 na rede de oxigênio. Assim, a vazão de O2 varia entre 65 e 75 Nm3/h, intervalo no qual foi observada a melhor eficiência na operação, considerando principalmente o controle do FeO da escória e a ocorrência de entupimento dos bicos supersônicos. Na alta vazão foram definidas pressões entre 9,0 e 9,5 kgf/cm2, onde as vazões variam entre 350 e 375 Nm3/h por bico. Estes valores foram definidos avaliando-se principalmente o controle do consumo de refratário na região do injetor e o desgaste dos bicos causado por jato subacelerado. Os injetores com diâmetro de garganta menor possibilitaram a operação com vazões de O2 menores na purga em relação ao modelo atual. Assim, foi possível operar com vazão em torno de 50 Nm3/h a uma pressão de 0,9 kgf/cm2, sem a ocorrência de entupimentos. Porém no modo alta vazão, para garantir a vazão mínima de 350 Nm3/h, a pressão no bico foi elevada para 12,5 kgf/cm2. Com este novo modelo de injetor, os consumos médios de oxigênio e de energia elétrica reduziram 0,8 Nm3/t e 12,9 kWh/t, respectivamente, em relação ao injetor atual, e verificou-se o aumento de 0,92% no rendimento metálico. / In this work, a study to verify the best conditions of oxygen flow to operate the supersonic injectors currently used in the Electric Arc Furnace 3 (EAF 3) of Siderúrgica Riograndense was carried out. Also, a comparative study between the supersonic injector model currently used and a new proposed model was made. To determine the best flow conditions of current injectors, parameters such as oxygen and electricity consumption, and slag FeO content were evaluated. Moreover, refractory wear conditions and copper lance tips erosion were analyzed. For the comparative tests with the new model, two copper lance tips have been machined, with a smaller throat diameter. The new oxygen pressure and oxygen flow (high and low flow operating modes) were established based on studies of features of the currently used lance tips. The tests were carried out comparatively in the same EAF 3. For the currently used injector models, it was verified that the pressure in the low flow mode must be kept between 0.9 and 1.1kgf/cm2 in the oxygen system. Thus, the O2 flow varies between 65 and 75 Nm3/h, interval in which the best efficiency in the operation was observed, considering mainly the control of FeO of the slag, and the occurrence of clogging of the supersonic lance tips. High flow pressures were defined between 9.0 and 9.5 kgf/cm2, where the flow varies between 350 and 375 Nm3/h per lance tip. These values were defined evaluating mainly the control of the refractory wear in the region of the injector, and the erosion of the lance tips caused by under-blown jet. The new lance tips with smaller throat diameter made it possible to operate with smaller O2 flow, 50 Nm3/h with pressure of 0.9 kgf/cm2, without clogging in low flow steps. However, in the high flow, to guarantee the minimum flow of 350 Nm3/h, the pressure in the lance tips was raised to 12.5 kgf/cm2. With this new model of injector, the average consumption of oxygen was lowered by 0.8 Nm3/h compared to the current injector and an increase of 0.92% was verified in the metallic yield. Furthermore, there was a reduction of 12.9 kWh/t in the consumption of electric energy.

A indústria siderúrgica do Estado do Rio Grande do Sul é do tipo semi-integrada e produz aço a partir de sucata, utilizando fornos a arco elétrico. Em suas atividades gera vários tipos de resíduos, dentre estes as carepas, cujo componente principal são óxidos de ferro. Este material não encontra utilização e geralmente tem destinação final em aterros de resíduos industriais ou co-processamento em fábricas de cimento. A produção e o processamento do carvão vegetal no estado do Rio Grande do Sul também geram como principal resíduo uma fração de baixa granulometria constituída de finos de carvão vegetal que praticamente não tem utilização e é descartada no meio ambiente. O objetivo do presente trabalho é buscar uma solução para a reciclagem de carepas geradas em usinas semi-integradas dentro do próprio processo produtivo. A solução proposta foi o desenvolvimento de um briquete autorredutor elaborado com carepa de aciaria e finos de carvão vegetal, com possibilidade de utilização na carga do forno elétrico à arco. Carepas e finos de carvão vegetal foram coletados e caracterizados. Briquetes autorredutores foram feitos com estes materiais e submetidos a ensaios de redução nas temperaturas de 1100, 1200 e 1260°C. O comportamento dos briquetes em altas temperaturas foi qualitativamente avaliado. Cálculos matemáticos e simulação computacional foram utilizados numa estimativa do consumo energético destes briquetes. O desempenho dos briquetes e os resultados obtidos permitem concluir pela potencialidade de utilização destes briquetes autorredutores como parte da carga de fornos elétricos a arco. / The steelmaking industry in Rio Grande do Sul State is semi-integrated and produces steel from scrap metal using electric arc furnaces. In its activities generates several wastes, among them mill scale, which main component are iron oxides. This material does not have use and generally have final destination in industrial landfills or co-processing in cement plants. The production and processing of charcoal in Rio Grande do Sul State also generate as main waste a fraction of low granulometry, consisting of charcoal fines what practically have no use and is disposal in the environment. The objective of the present work is to look for a solution to mill scale recycling, generated in semi-integrated steelmaking plants, inside its own productive process. The proposed solution was the development of self-reducing briquette produced with mill scale and charcoal fines, with possibilities of use in charge of electric arc furnace. Mill scale and charcoal fines were collected and characterized. Self-reducing briquettes were made from these materials and subjected to tests of reduction at temperatures of 1100, 1200 and 1260°C. The behaviour of briquettes in high temperatures was qualitatively evaluated. Mathematical calculation and computational simulation were used in a estimative of the energetic consumption of these briquettes. The performance of briquettes and the obtained results allow to conclude the potential use of these self-reducing briquettes as a part of charge in electric arc furnaces.

Dissertação (mestrado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2013. / Made available in DSpace on 2014-08-06T17:39:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 324048.pdf: 2954287 bytes, checksum: 83ba3a1ab50c52f7860ee729e4a98493 (MD5) Previous issue date: 2013 / Este trabalho apresenta um método para a análise térmica de um forno a gás natural, do tipo cadinho, usado na produção artesanal de vidro cristal. Fazendo parte do setor vidreiro, a confecção de artefatos de vidro cristal para decoração possui características particulares, sendo normalmente tratada de forma isolada do restante do segmento. Poucos trabalhos acadêmicos são encontrados sobre o assunto. O vidro cristal possui alto teor de chumbo, atribuindo-lhe propriedades singulares como elevada densidade e índice de refração, baixo ponto de fusão, e facilidade no tratamento mecânico (corte, e polimento). Envolvendo diretamente fenômenos de combustão e de transferência de calor, o problema é simulado a partir dos softwares comerciais EES, e Ansys CFX 14.0. O último usa o método dos volumes finitos, simulando os domínios dos gases resultantes da combustão, da massa de vidro cristal, do cadinho, e paredes do forno. Foram realizadas medições em um forno em operação, com os valores medidos comparados aos resultados da simulação. Na análise experimental se detectou o equipamento trabalhando com elevado excesso de ar - 98% - e perdas significativas de energia por suas superfícies, através da janela de extração, e com a retirada do produto. No que diz respeito à análise em CFD, os campos de temperatura, velocidade e pressão dos gases, trocas radiativas e convectivas no interior do equipamento são apresentados e discutidos, bem como as perdas para o exterior são analisadas. Por impossibilidades de medição, três casos diferentes foram simulados, estudando o comportamento do escoamento sob variadas sucções. Os resultados obtidos foram condizentes com as medições, comprovando a importância do controle deste parâmetro no desempenho do forno. Descrevendo o funcionamento de um forno para produção artesanal de vidro cristal, o método aplicado neste trabalho pode ser empregado na simulação de fornos de alta temperatura com características semelhantes, permitindo a realização de análises variadas com o objetivo de aprimorar o desempenho térmico do processo.<br> / Abstract : This work presents a thermal analyses methodology for a ladle furnace heated by natural gas, used in the handmade production of lead crystal. Lead crystal decoration pieces have unique characteristics, being part of the glass industry, normally treated apart from the rest of the sector. Few academic works are found. With a high contend of lead oxide, lead crystal has particular properties such as high density, refractive index, low melting point, as well as easy mechanical treatment (cutting and polishment). The commercial softwares EES and Ansys CFX 14.0 were employed. The latter simulates combustion and heat transfer phenomena, using the finite volume method, simulating the gaseous domain, the crystal load, the ladle, and the furnace´s walls. Experimental measurements were taken in an operating furnace, comparing the values with the simulation results. For the experimental analyses a high contend of excess air was found - 98%. Significant amount of energy left the furnace by its surfaces, by the extracting window, and with the load. For the CFD results the temperature field, the gases´ velocity and pressure, radiative and convective heat exchange are presented and discussed, the heat loss are also analyzed. Because of lack of data, three different cases were simulated, analyzing the suction influence on the flow behavior. The results were in accordance with the measurements, affirming the necessity of controlling this parameter for the furnace's performance. Although this work describes the operation of a handmade lead crystal furnace, the methodology applied in it can be used for simulating high temperature furnaces with similar characteristics, allowing different analyses, aiming to improve thermal efficiency of the process.

A presente tese teve como objetivo fornecer subsídios teóricos e experimentais com vistas à reciclagem da carepa gerada em usinas mini-mills através de briquetes autorredutores para uso em FEA. Para atingir os objetivos vislumbrados, o trabalho foi estruturado em quatro principais tópicos: estudo de caracterização e de redutibilidade da carepa, escolha e caracterização do redutor para uso nos briquetes, elaboração e caracterização da mistura e ensaios de laboratório para avaliação do desempenho dos briquetes autorredutores. Os estudos de caracterização da carepa indicaram que este resíduo é constituído principalmente de wustita e se apresenta estratificada em três camadas: camada externa fina e porosa composta de hematita e magnetita, camada intermediária de wustita densa e camada interna de wustita porosa. A cinética de redução da carepa foi investigada em termobalança no intervalo de temperatura entre 830 e 1200°C com CO puro e mistura 90%CO-10%CO2. A energia de ativação aparente encontrada nesses ensaios variou de 71 a 80 kJ/mol e as observações microscópicas demonstraram que a redução da carepa segue um modelo topoquímico. A escolha do agente redutor para compor o briquete se deu através de ensaios de gaseificação ao CO2 e de autorredução em termobalança com três tipos de material carbonoso. A partir desses ensaios observou-se a seguinte ordem decrescente de reatividade e respectivas energias aparentes de ativação: Carvão Vegetal (Ea = 237 kJ/mol), Carvão Mineral (Ea = 214 kJ/mol) e Coque de Petróleo (Ea = 335 kJ/mol). Em virtude da maior reatividade do Carvão Vegetal frente aos demais, este redutor foi escolhido para uso nos briquetes. A mistura utilizada na confecção dos briquetes autorredutores teve como constituintes principais a carepa, os finos de carvão vegetal e aglomerantes (melaço e cal). Ensaios de caracterização em termobalança com atmosfera oxidante e aquecimento rápido indicaram uma perda de massa de cerca de 40%, referente às etapas de secagem, desvolatilização e autorredução da mistura. Nesses ensaios, observou-se elevadas taxas de perda de massa da mistura e uma notável complexidade dos fenômenos envolvidos, com reações simultâneas de combustão, autorredução e de oxidação do ferro, prevalecendo uma ou outra, dependendo da temperatura e da fração reagida de amostra. Através de procedimentos que buscaram reduzir a complexidade dos fenômenos envolvidos nas condições oxidantes, foi possível estimar que a energia de ativação aparente de autorredução está entre 62 e 69 kJ/mol. Os briquetes produzidos em escala industrial foram submetidos a ensaios isotérmicos e não-isotérmicos de alta temperatura. Tais ensaios buscaram determinar os gradientes térmicos no interior do briquete, a energia de ativação aparente e o desempenho cinético do aglomerado em condições de temperatura que se aproximam da prática industrial. A partir das constatações concernentes às taxas das reações químicas individuais (redução e gaseificação), às medidas do perfil de temperatura no interior dos aglomerados, à energia de ativação estimada para o briquete (93 kJ/mol) e ao modelo de redução encontrado nos ensaios de alta temperatura, acredita-se que tanto a cinética de redução da carepa como a transferência de calor sejam obstáculos limitantes da cinética global dos briquetes em estudo. Finalmente, os resultados de metalização obtidos nos testes de alta temperatura dão indícios da possibilidade de uso destes briquetes em FEA. / This dissertation aimed to provide theoretical and experimental basis for recycling of mill scale generated in mini-mill plants through the use of self-reducing briquettes in EAF. To reach these goals, the work was structured around four main topics: characterization and reducibility study of scale, choice and characterization of the reductant to use in briquettes, elaboration and characterization of the mixture and laboratory tests to performance evaluation of self-reducing briquettes. The characterization studies of mill scale have indicated that this waste is composed mainly of wustite and is stratified into three layers with different morphologies: fine porous external layer composed of hematite and magnetite, intermediate layer of dense wustite and inner layer of porous wustite. The kinetics of scale reduction was investigated in thermobalance in a temperature range from 830 to 1200°C with pure CO and a mixture of 90% CO and 10% CO2. The apparent activation energy obtained in these tests ranged from 71 to 80 kJ/mol and the microscopic observations showed that the mill scale reduction corresponds to a topochemical model. The choice of the reductant for composing the briquette was made through tests of gasification with CO2 and of self-reduction in thermobalance with three different carbonaceous materials. From the results, it was observed the following decreasing reactivity order and the related apparent activation energy: Charcoal (Ea = 237 kJ/mol), Mineral Coal (Ea = 214 kJ/mol) and Petroleum Coke (Ea = 335 kJ/mol). Due to the higher reactivity of Charcoal in relation to the others, this reducer was chosen to be used in the briquettes. The main constituents of the mixture used in the manufacture of self-reducing briquettes were scale, charcoal and binders (melasse and lime). The characterization tests in thermobalance with oxidizing athmosfere and rapid heating indicated a mass loss of about 40%, referring to the stages of drying, devolatilization and self-reduction of the mixture. During these tests, it were observed high rates of mixture loss mass and a remarkable complexity of the phenomena, with simultaneous combustion, self-reduction and iron oxidation reactions, where their importance changes according to temperature and fractional reaction of the sample. Through the procedures that aimed to reduce the complexity of the related phenomena in oxidant conditions, it was possible to estimate that the self-reduction apparent activation energy ranges between 62 to 69 kJ/mol. The briquettes produced in the industrial plant were submitted to isothermal and nonisothermal tests of high temperatures. Such tests aimed to determine the thermal gradients into the briquette, the apparent activation energy and kinetic performance of the agglomerate in temperature conditions similar to the ones used in industrial practice. Based on the findings concerning the individual rates of chemical reactions (reduction and gasification), the measures of the temperature profile inside the briquettes, the activation energy estimated (93 kJ/mol) and the reduction model found in high-temperature tests, it is assumed that both the kinetics of mill scale reduction and heat transfer limit the overall kinetic rates of these briquettes. Finally, the results of metallization obtained in the tests conducted at high temperatures indicate the possibility of using these briquettes into the EAF.

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica, Florianópolis, 2014. / Made available in DSpace on 2014-08-06T18:00:12Z (GMT). No. of bitstreams: 1 327117.pdf: 126252562 bytes, checksum: 728cbf1e05b72ed59574099bc3a0b90f (MD5) Previous issue date: 2014 / Este trabalho abrange o estudo de um forno industrial de produção de silicato de sódio, com o objetivo de fornecer subsídios para o aumento da eficiência energética e melhoria do seu desempenho. O trabalho incluiu o levantamento de dados in situ e também a modelagem numérica do processo. As medições envolveram vários parâmetros, sendo empregadas para o desenvolvimento e validação de um modelo numérico, capaz de analisar a influência dos diversos parâmetros na operação do forno. O modelo é baseado no método dos Volumes Finitos e resolve os fenômenos da turbulência, combustão e radiação, através dos modelos RANS, EDM e DTRM, respectivamente. O modelo envolve o forno por completo: cavidade com a queima de gás natural, banho de fusão da matéria-prima e paredes do forno. A liberação de CO2 pelo banho também foi considerada, tendo influência nas trocas radiativas internas. Os resultados experimentais indicaram grande potencial de economia de energia principalmente nos gases da chaminé representando 60 a 70% da energia de entrada do forno. Nos resultados numéricos a não consideração da liberação de CO2 na modelagem numérica se mostrou com diferença significativa no tratamento das trocas térmicas quando comparada com dados experimentais chegando a diferenças de mais de 18%. Essa diferença desce para menos de 10% quando modelada a liberação de CO2 pelo banho no modelo. Duas alterações na montagem do forno foram analisadas para um melhor desempenho do mesmo, inclinação do queimador e posição da chaminé demonstrando que uma pequena inclinação pode ser favorável ao processo.<br> / Abstract : This work covers the study of an industrial kiln for production of sodium silicate with the aim to provide subsidies to improve energy efficiency and performance. The study included data collection in sit and numerical modeling of the process. Measurements involved various parameters and were used for the development and validation of a numerical model, capable to analyze the influence of differents parameters on furnace operation. The model is based on the Finite Volume Method and solves the phenomena of turbulence, combustion and radiation through the RANS, EDM and DTRM models respectively. The model covers the complete kiln: fluid flow inside kiln cavity, the bath with melting product inside the kiln and the kiln walls. The release of CO2 by the bath was also taken into account, due to its influence on internal radiative heat exchanges. Collected experimental data indicated great potential for energy savings, mainly in the chimney gases representing 60-70% of the kiln energy input. The neglect of the CO2 liberation by the molten bath in the numerical model resulted in a significant difference between numerical and experimenatl results on the thermal exchanges reaching over 18%. This difference was reduced to less than 10% when the CO2 liberation was included in the same model. Two variations in the kiln's assembling were analyzed to obtain a better themal performance, the inlcination of the burner and the position of the chimney inlet. A small inclination of the burner was considered to be favorable to the process.