The reaction between carbon and iron oxide-containing slag is crucial to efficient electric arc furnace steelmaking. The reaction occurs via gaseous intermediates, and the rate of gas generation by carbon gasification is limited by the chemical reactions at the slag-gas and carbon-gas interfaces. The aim of the present study was to obtain an understanding of the gasification rate limiting factors and slag foaming behaviour that could be readily applied to industrial electric arc furnace situations. The rate of carbon gasification was measured in experimental simulations of an electric arc furnace heat with slags containing between 21.6 and 48.2 wt% 'FeO'. It was found that rate control was dominated by the carbon-gas chemical reaction. A model was developed which describes the carbon gasification rate, amount of residual carbon in the slag, gas composition, slag-gas interfacial area and bubble diameter during carbon injection into slag. The model predicts rate control by the carbon-gas chemical reaction, in agreement with experimental observations. The slag foaming behaviour was investigated, and it was found that the foaming index is a useful parameter in quantifying foam height only if void fraction is constant with respect to gas flow rate. The average bubble size was observed to be an important factor in determining foam stability, with smaller bubble size resulting in greater foam height. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

Aliar alta produtividade ao menor custo de processo é o principal desafio econômico de uma Aciaria Elétrica. Para isso, mudanças no processo almejando práticas que resultam em uma maior eficiência do FEA, com um menor custo envolvido, ocorrem constantemente. Este trabalho avalia um processo de FEA, com capacidade de 62 toneladas de aço, operando com carregamento de sucata metálica e ferro-gusa. Dois grupos de corridas de aço, pertencentes à dois cenários distintos, foram estudadas. Os cenários foram denominados Cenário I e Cenário II, sendo que, no segundo cenário ocorreram mudanças nas práticas de injeções de carbono e oxigênio, nas práticas de adição de cales no carregamento e mudanças na quantidade de Sucata Shredder no FEA. O objetivo deste trabalho foi analisar como essas mudanças influenciaram no processo. A composição química de aço e escória de dois padrões de carga (C e E) foi comparada entre os cenários. Verificou-se que a massa de escória diminuiu para os dois padrões de carga. Porém, a basicidade do padrão C foi reduzida de 2,5 para 2,1, enquanto para o padrão E manteve-se em 2,2 para os dois cenários. O MgO de saturação foi avaliado através de diagramas de saturação isotérmicos (ISD), e a maior parte das corridas do Cenário II ficaram acima da linha de saturação da escória. Houve uma redução de 30% do oxigênio injetado para os dois padrões e seus teores de fósforo no aço aumentaram significativamente. No entanto, apenas o padrão C teve uma variação nos teores de carbono no aço. A energia elétrica consumida mostrou-se dependente dos teores de FeO e MgO da escória. O padrão E apresentou um aumento significativo de 10 kWh/t. O rendimento metálico dos padrões C e E aumentou 3,59% e 2,22%, respectivamente. No Cenário II, o aumento da sucata Shredder no carregamento foi duas vezes maior. O Cenário II apresentou uma redução dos teores de cobre no aço para os dois padrões. As quantidades médias de injeção de carbono não tiveram variação significativa, por outro lado, através dos gráficos de distribuição, notou-se uma maior estabilidade nos valores de injeção. Para o padrão E observou-se uma quantidade mínima de ferro na escória para a razão global C/O de 0,75. Uma análise da razão das injeções de carbono e oxigênio durante o refino foi feita. Observou-se uma maior estabilidade das injeções ao longo do tempo de refino para o Cenário II em ambos os padrões. / Combine high productivity and lower costs is the main economical challenge of a steelmaking melt shop. Therefore, changes in the process aiming practices that result in higher efficiency of the EAF, with lower costs, occur frequently. This work evaluates an EAF process, with capacity of 62t of steel, operating with metal scrap and pig iron load. Two groups of steel heats that represents two distinct scenarios were studied. The scenarios were called Scenario I and Scenario II. In the Scenario II carbon and oxygen injection practices, limes loading practice and Shredder scrap loading amount were modified. The aim of the present work is analyze how these changes affected process parameters. The steel and slag chemical composition of two loading patterns (C and E) was compared on the scenarios. It was found that the slag mass reduces for both loading patterns. However, the basicity of the pattern C was reduced from 2.5 to 2.1 while the pattern E was maintained on 2.2 for both scenarios. The MgO saturation content of the slag is evaluated through Isothermal Solubility Diagrams. Most of the heats of the Scenario II MgO content are higher than the minimal saturation content. There was a reduction of 30% of the injected oxygen for both loading patterns and their P content increased significantly. Meanwhile, only the pattern C shows a variation on carbon content in the steel. The electric power consumption showed proportional relation to FeO and MgO content of the slag and the pattern E showed a significant increase of 10 kWh/t. The metallic yield of the patterns C and E increased 3.59 and 2.22, respectively. The scenario II showed a reduction of the Cu content in both patterns. The carbon injection amount means did not vary significantly, but, through distribution graphs, was noted a higher stability in the injection amount. For the E pattern, a minimum amount of iron in the slag was observed for the overall C/O ratio of 0,75. An analysis of the ratio of the carbon and oxygen injection during the refining period was done. It was observed a higher stability of the injections along the refining period for the Scenario II on both patterns.

Aliar alta produtividade ao menor custo de processo é o principal desafio econômico de uma Aciaria Elétrica. Para isso, mudanças no processo almejando práticas que resultam em uma maior eficiência do FEA, com um menor custo envolvido, ocorrem constantemente. Este trabalho avalia um processo de FEA, com capacidade de 62 toneladas de aço, operando com carregamento de sucata metálica e ferro-gusa. Dois grupos de corridas de aço, pertencentes à dois cenários distintos, foram estudadas. Os cenários foram denominados Cenário I e Cenário II, sendo que, no segundo cenário ocorreram mudanças nas práticas de injeções de carbono e oxigênio, nas práticas de adição de cales no carregamento e mudanças na quantidade de Sucata Shredder no FEA. O objetivo deste trabalho foi analisar como essas mudanças influenciaram no processo. A composição química de aço e escória de dois padrões de carga (C e E) foi comparada entre os cenários. Verificou-se que a massa de escória diminuiu para os dois padrões de carga. Porém, a basicidade do padrão C foi reduzida de 2,5 para 2,1, enquanto para o padrão E manteve-se em 2,2 para os dois cenários. O MgO de saturação foi avaliado através de diagramas de saturação isotérmicos (ISD), e a maior parte das corridas do Cenário II ficaram acima da linha de saturação da escória. Houve uma redução de 30% do oxigênio injetado para os dois padrões e seus teores de fósforo no aço aumentaram significativamente. No entanto, apenas o padrão C teve uma variação nos teores de carbono no aço. A energia elétrica consumida mostrou-se dependente dos teores de FeO e MgO da escória. O padrão E apresentou um aumento significativo de 10 kWh/t. O rendimento metálico dos padrões C e E aumentou 3,59% e 2,22%, respectivamente. No Cenário II, o aumento da sucata Shredder no carregamento foi duas vezes maior. O Cenário II apresentou uma redução dos teores de cobre no aço para os dois padrões. As quantidades médias de injeção de carbono não tiveram variação significativa, por outro lado, através dos gráficos de distribuição, notou-se uma maior estabilidade nos valores de injeção. Para o padrão E observou-se uma quantidade mínima de ferro na escória para a razão global C/O de 0,75. Uma análise da razão das injeções de carbono e oxigênio durante o refino foi feita. Observou-se uma maior estabilidade das injeções ao longo do tempo de refino para o Cenário II em ambos os padrões. / Combine high productivity and lower costs is the main economical challenge of a steelmaking melt shop. Therefore, changes in the process aiming practices that result in higher efficiency of the EAF, with lower costs, occur frequently. This work evaluates an EAF process, with capacity of 62t of steel, operating with metal scrap and pig iron load. Two groups of steel heats that represents two distinct scenarios were studied. The scenarios were called Scenario I and Scenario II. In the Scenario II carbon and oxygen injection practices, limes loading practice and Shredder scrap loading amount were modified. The aim of the present work is analyze how these changes affected process parameters. The steel and slag chemical composition of two loading patterns (C and E) was compared on the scenarios. It was found that the slag mass reduces for both loading patterns. However, the basicity of the pattern C was reduced from 2.5 to 2.1 while the pattern E was maintained on 2.2 for both scenarios. The MgO saturation content of the slag is evaluated through Isothermal Solubility Diagrams. Most of the heats of the Scenario II MgO content are higher than the minimal saturation content. There was a reduction of 30% of the injected oxygen for both loading patterns and their P content increased significantly. Meanwhile, only the pattern C shows a variation on carbon content in the steel. The electric power consumption showed proportional relation to FeO and MgO content of the slag and the pattern E showed a significant increase of 10 kWh/t. The metallic yield of the patterns C and E increased 3.59 and 2.22, respectively. The scenario II showed a reduction of the Cu content in both patterns. The carbon injection amount means did not vary significantly, but, through distribution graphs, was noted a higher stability in the injection amount. For the E pattern, a minimum amount of iron in the slag was observed for the overall C/O ratio of 0,75. An analysis of the ratio of the carbon and oxygen injection during the refining period was done. It was observed a higher stability of the injections along the refining period for the Scenario II on both patterns.

Aliar alta produtividade ao menor custo de processo é o principal desafio econômico de uma Aciaria Elétrica. Para isso, mudanças no processo almejando práticas que resultam em uma maior eficiência do FEA, com um menor custo envolvido, ocorrem constantemente. Este trabalho avalia um processo de FEA, com capacidade de 62 toneladas de aço, operando com carregamento de sucata metálica e ferro-gusa. Dois grupos de corridas de aço, pertencentes à dois cenários distintos, foram estudadas. Os cenários foram denominados Cenário I e Cenário II, sendo que, no segundo cenário ocorreram mudanças nas práticas de injeções de carbono e oxigênio, nas práticas de adição de cales no carregamento e mudanças na quantidade de Sucata Shredder no FEA. O objetivo deste trabalho foi analisar como essas mudanças influenciaram no processo. A composição química de aço e escória de dois padrões de carga (C e E) foi comparada entre os cenários. Verificou-se que a massa de escória diminuiu para os dois padrões de carga. Porém, a basicidade do padrão C foi reduzida de 2,5 para 2,1, enquanto para o padrão E manteve-se em 2,2 para os dois cenários. O MgO de saturação foi avaliado através de diagramas de saturação isotérmicos (ISD), e a maior parte das corridas do Cenário II ficaram acima da linha de saturação da escória. Houve uma redução de 30% do oxigênio injetado para os dois padrões e seus teores de fósforo no aço aumentaram significativamente. No entanto, apenas o padrão C teve uma variação nos teores de carbono no aço. A energia elétrica consumida mostrou-se dependente dos teores de FeO e MgO da escória. O padrão E apresentou um aumento significativo de 10 kWh/t. O rendimento metálico dos padrões C e E aumentou 3,59% e 2,22%, respectivamente. No Cenário II, o aumento da sucata Shredder no carregamento foi duas vezes maior. O Cenário II apresentou uma redução dos teores de cobre no aço para os dois padrões. As quantidades médias de injeção de carbono não tiveram variação significativa, por outro lado, através dos gráficos de distribuição, notou-se uma maior estabilidade nos valores de injeção. Para o padrão E observou-se uma quantidade mínima de ferro na escória para a razão global C/O de 0,75. Uma análise da razão das injeções de carbono e oxigênio durante o refino foi feita. Observou-se uma maior estabilidade das injeções ao longo do tempo de refino para o Cenário II em ambos os padrões. / Combine high productivity and lower costs is the main economical challenge of a steelmaking melt shop. Therefore, changes in the process aiming practices that result in higher efficiency of the EAF, with lower costs, occur frequently. This work evaluates an EAF process, with capacity of 62t of steel, operating with metal scrap and pig iron load. Two groups of steel heats that represents two distinct scenarios were studied. The scenarios were called Scenario I and Scenario II. In the Scenario II carbon and oxygen injection practices, limes loading practice and Shredder scrap loading amount were modified. The aim of the present work is analyze how these changes affected process parameters. The steel and slag chemical composition of two loading patterns (C and E) was compared on the scenarios. It was found that the slag mass reduces for both loading patterns. However, the basicity of the pattern C was reduced from 2.5 to 2.1 while the pattern E was maintained on 2.2 for both scenarios. The MgO saturation content of the slag is evaluated through Isothermal Solubility Diagrams. Most of the heats of the Scenario II MgO content are higher than the minimal saturation content. There was a reduction of 30% of the injected oxygen for both loading patterns and their P content increased significantly. Meanwhile, only the pattern C shows a variation on carbon content in the steel. The electric power consumption showed proportional relation to FeO and MgO content of the slag and the pattern E showed a significant increase of 10 kWh/t. The metallic yield of the patterns C and E increased 3.59 and 2.22, respectively. The scenario II showed a reduction of the Cu content in both patterns. The carbon injection amount means did not vary significantly, but, through distribution graphs, was noted a higher stability in the injection amount. For the E pattern, a minimum amount of iron in the slag was observed for the overall C/O ratio of 0,75. An analysis of the ratio of the carbon and oxygen injection during the refining period was done. It was observed a higher stability of the injections along the refining period for the Scenario II on both patterns.