[pt] Um modelo de descarburação e formação de escórias foi
desenvolvido e aplicado ao processo de fabricação de aço em forno
elétrico a arco de 120 ton de capacidade, com carga de ferro gusa e de
sucata ferrosa. O carregamento de carbono foi significativamente variado
para testar a consistência do modelo, considerando a cinética de
oxidação do carbono, oxidação do fósforo e de redução do óxido de ferro.
Gusa e coque foram empregados como fontes mais relevantes de
carbono, resultando na entrada de 15 a 35 kg carbono/ton. As taxas de
fusão do gusa e da sucata governam a disponibilidade dos elementos
mais relevantes tais como carbono, fósforo e silício em solução, portanto,
afetam as taxas de descarburação e de formação de escórias. A principal
fonte de fósforo na carga ferrosa é o gusa. Desta forma, a evolução do
teor de fósforo na fase metal mostrou-se importante para as estimativas
das taxas de fusão do gusa, uma vez que o fósforo pode ser empregado
como traçador adicional ao carbono. Modelos cinéticos envolvendo as
reações do fósforo e silício operam simultaneamente com os modelos
cinéticos referentes às reações do carbono e do ferro.
Integrações numéricas associadas a um algoritmo de gradientes
reduzidos generalizado foi empregado para o sistema não linear com
restrições, de forma a determinar a maioria dos parâmetros cinéticos do
modelo. A taxa de fusão global da carga de sucata foi maior do que a taxa
de fusão aparente do gusa. Supõe-se que, o gusa apesar de ter relações
geométricas desfavoráveis à transferência de calor em relação à sucata,
poderia fundir mais rapidamente influenciado pelo seu baixo ponto de
fusão. Entretanto, devido à formação de camada solidificada a partir da
massa líquida na qual é imerso, é provável que mesmo fundido
posteriormente, ocorra um processo de encapsulamento temporário,
conferindo-lhe uma taxa aparente de fusão mais baixa. A constante
cinética da reação de descarburação quando o teor de carbono é inferior
ao carbono crítico de 0.19 por cento em massa e pelo menos 60 por cento da carga
ferrosa estão fundidas, foi estimada em 0.74 min-1, taxas comparáveis às
obtidas em aciaria a oxigênio.
A principal fonte de oxigênio para oxidação do ferro é
disponibilizada por lanças supersônicas. Estima-se que 20 por cento do oxigênio
injetado via lanças sejam consumidos para a formação de óxido de ferro.
Entretanto, cerca de 31 por cento e 26 por cento do oxigênio oriundo de injetores de póscombustão
podem contribuir na formação de óxido de ferro ou são
captados pelo sistema de exaustão de gases, respectivamente. Os
resultados indicam que em torno de 15-30 por cento do carbono injetado podem
não reagir no forno, sendo removidos com a escória. Adicionalmente ao
estado de não-equilíbrio no sistema Fe-C-O observado, a dispersão nas
estimativas de carbono solúvel na fase metal também pode ter sido
influenciada pela intensidade de penetração da injeção de coque.
O algoritmo proposto se constitui num promissor simulador de
práticas que visam otimizar o rendimento metálico do ferro, a partir da
dependência da cinética de redução do óxido de ferro com sua atividade
química na escória. / [en] A decarburization and slag formation model was developed and
applied to a steelmaking process based on scrap and pig iron mixes
melted in a conventional AC electric arc furnace (EAF) with 120 ton
capacity. The amount of carbon input was varied significantly in order to
evaluate the model consistency regarding mainly the kinetics of carbon
oxidation, phosphorus oxidation and iron oxide formation and reduction.
Pig iron and coke were used as sources of carbon, resulting in variation of
total carbon input in the range of 15 to 35 kg carbon/ton. The pig iron and
scrap melting rates determine the availability of the most relevant
elements such as carbon, phosphorus and silicon in solution in Fe-C
melts, and therefore, affecting the decarburization as well the slag
formation rates. The pig iron is the main source of phosphorus in the
ferrous charge. Hence, the evolution of the phosphorus content in the
metal phase is important to predict the pig iron melting rate, since
phosphorus can be used as a tracer element in addition to carbon. Kinetic
models regarding phosphorus and silicon were applied simultaneously to
kinetic models of carbon and iron reactions.
A numerical integration method supported a generalized reduced
gradient algorithm for non-linear and constrained system (GRG) was
applied to determine most of the kinetic model parameters. The scrap
melting rates were found to be higher than pig iron apparent melting rates.
This is expected that, even though the heat transfer issues related to
significant differences in the area to volume ratio compared to scrap, pig
iron may melt faster influenced by its low melting point. However, a
solidified shell maybe created from the hot heel where pig iron is
immersed, even when further melting occur, Fe-rich carbon melts could be
encapsulated temporarily and present lower apparent melting rate. The
decarburization rate parameter, when at least 60 percent of the charge is
melted, was estimated as 0.74 min-1, when carbon content is lower than
the critical carbon 0.19 percent wt, which is similar to the rate range observed in
oxygen steelmaking facilities. Around 31 percent and 26 percent of the oxygen input
through post combustion injectors were addressed to iron oxidation and to
the off-gas system, respectively.
The main source of oxygen taking part of iron oxidation is available
from supersonic lances. Approximately 20 percent of the oxygen input through
lancing are consumed to form iron oxide. The results also indicate about
15-30 percent of the injected carbon may not react and leave EAF during slagoff.
In addition to the observed non-equilibrium state in Fe-C-O system,
the dispersive behavior of the prediction of soluble carbon content in the
metal phase could also be influenced by the intensity of penetration coke.
The model framework is a promising tool to work preliminarily in
what-if process scenario builder as a static model for iron yield
optimization, regarding the kinetics of iron oxide reduction reaction and the
proposed dependence on its chemical activity in the slag phase.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:puc-rio.br/oai:MAXWELL.puc-rio.br:38258 |
| Date | 23 May 2019 |
| Creators | RAIMUNDO AUGUSTO FERRO DE OLIVEIRA FORTES |
| Contributors | JOSE CARLOS D ABREU |
| Publisher | MAXWELL |
| Source Sets | PUC Rio |
| Language | English |
| Detected Language | Portuguese |
| Type | TEXTO |
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