BRPI0618348A2 - lanÇa aperfeiÇoada para aciaria ld - Google Patents

Abstract

LANÇA APERFEIÇOADO PARA ACIARIA LD É descrita uma lança para aciaria LD que compreende uma pluralidade de bicos supersônicos periféricos provida com uma única linha de suprimento de gás a alta pressão e um bico central. O bico central é um bico subsônico provido com uma linha de suprimento de gás de baixa pressão separada (1) independente da linha de suprimento de gás de alta pressão (2) para os bicos periféricos. A vazão no bico subsônico central pode ser controlada de forma a varias a geração de gotículas de metal líquido durante o sopro, de acordo com a exigência do processo.

Description

"LANÇA APERFEIÇOADA PARA ACIARIA LD" A presente invenção diz respeito no geral a uma lança aperfeiçoada para aciaria LD. Em particular, a invenção diz respeito a um projeto de lança multifuros com um bico subsônico central controlado separadamente para variar a geração de gotículas de metal líquido de acordo com a exigência do processo.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO Aço é produzido por muitos processos, tais como processo de forno a oxigênio básico (BOF), processo de forno a arco elétrico (EAF), processo Kaldo, etc. Desses, o processo de forno a oxigênio básico (BOF), ou aciaria LD, é amplamente usado no mundo atualmente por causa da eficiência do processo e da qualidade do aço produzido. O processo de aciaria LD é um processo de purificação de ferro gusa líquido que contém, juntamente com uma porcentagem muito alta de ferro, carbono, fósforo, magnésio, manganês, alumínio, etc. como impurezas principais. Essas impurezas são removidas por reações de oxidação usando oxigênio gasoso como o oxidante. O gás oxigênio é introduzido no convertedor LD por meio de múltiplos jatos supersônicos através de uma lança resfriada a água com uma cabeça de cobre. Adicionalmente, gás argônio é introduzido por ventaneiras na base do convertedor para agitar o metal líquido por completo. Este processo de soprar gás oxigênio por cima através da lança e injetar argônio por baixo é denominado processo de sopro combinado.

O processo de refino no convertedor LD pode ser sumarizado da seguinte maneira. Ferro gusa líquido é carregado no convertedor juntamente com sucata metálica. Essas sucatas metálicas podem ser facilmente íundidas em virtude de a maioria das reações que ocorrem no convertedor LD ser reações exotérmica, e todo o processo de aciaria LD é um processo de auto geração, isto é, ele não exige suprimento externo de calor. Cal (CaO), como um fluxante, é também adicionada de acordo com a razão de basicidade exigida, definida como a razão gravimétrica de cal para sílica (Ca0/Si02) e o sopro de gás oxigênio no metal líquido tem início. As impurezas são oxidadas e os óxidos, sem ser os óxidos de carbono, formam a escória líquida que flutua por cima do metal líquido. Carbono é oxidado como gás monóxido de carbono (CO) que passa através da escória líquida. Por causa disto, a camada de escória aumenta de volume e forma o que é em geral denominado "espuma de escória'·. A espuma de escória compreende escória líquida, gases que se desenvolvem do metal líquido e as gotículas de metal líquido atirados no convertedor por causa do impacto dos jatos de oxigênio na superfície do metal líquido. A espuma assim formada ocupa um grande volume do convertedor, cobrindo completamente a cabeça da lança e parcialmente a própria lança. A espuma cria uma grande área interfacial entre o metal líquido e a escória, e assim promove reações interfaciais tal como desfosforação.

Uma vez que o processo de aciaria LD é altamente dinâmico e as condições no interior do convertedor mudam continuamente durante o período de sopro de oxigênio, o controle da lança de oxigênio é imperativo. Assim, a lança de oxigênio é operada a diferentes alturas de lança para controlar a intensidade de colisões dos jatos supersônicos. A altura da lança é definida como a distância da ponta da lança a qualquer instante até a superfície do metal líquido plano antes do início do sopro. No início do sopro, o interesse primário do aciarista é formar a escória líquida rapidamente e dissolver a cal carregada completamente. Sabe-se que o sopro duro ou menor altura da lança será desvantajoso, em virtude de a oxidação do carbono não ser preferida neste estágio. Assim, a lança é operada a uma altura maior, digamos, por exemplo, a altura inicial da lança é 2,2 m.

Durante o período inicial, a escória começa formar com as propriedades químicas e físicas exigidas. Agora, é necessário criar escória espumosa pela produção de mais gás CO pela oxidação do carbono, uma vez que somente a escória espumosa pode aumentar a área interfacial entre a escória e o metal, promovendo assim a importante reação de desfosforação. Assim, a altura da lança é reduzida para dar um sopro duro. A menor altura pode ser cerca de 1,5 m. Neste estágio, a criação de gotículas de metal é também de grande importância no que diz respeito à reação de desfosforação. Basicamente, a lança é operada nesta menor altura na maior parte do sopro para promover a oxidação de carbono.

Durante os últimos estágios do sopro, a porcentagem de carbono no aço é muito baixa e a geração de gás CO é reduzida em grande parte. A escória não mais é espumosa por causa da ausência da geração de gás CO e deve-se entender que uma camada de escória líquida espessa é formada por cima da superfície do metal. O sopro duro e a criação de gotículas de metal líquido neste estágio não são preferidas por causa de motivos similares mencionados nos estágios iniciais do sopro. Assim, a altura da lança é aumentada novamente para a altura da lança inicial para dar um sopro mais macio.

Pelas discussões apresentadas, fica claro que as exigências físicas da lança mudam completamente durante o sopro no convertedor LD. Em alguns estágios do sopro, a geração de gotículas é de capital importância e, em alguns outros estágios, a geração de gotículas de metal líquido pode ser desvantajosa e detrimental à operação do convertedor LD. Fica claro que a lança exerce um papel muito maior do que um simples fornecedor de gás oxigênio no convertedor. O adequado desenho da lança e controle durante o sopro podem melhorar bastante a eficiência do processo de fabricação do aço e melhorar a qualidade do aço dessa forma produzido.

A lança é constituída de cobre e tem uma cabeça desanexável onde os bicos são fixos. O oxigênio é soprado no convertedor com velocidades supersônicas na faixa do número Mach 2,0-2,4 através dos bicos. O número de bicos supersônicos na lança é decidido com base no tamanho do convertedor, massa da carga e outras condições operacionais. Uma lança típica pode ter 6 bicos supersônicos com um ângulo de inclinação com o eixo vertical de 17,5 0 para minimizar coalescência do jato. Os bicos são projetados para produzir os jatos supersônicos com o número Mach de saída de 2,2. Todos os bicos têm um único suprimento de oxigênio na pressão de 13,5 bar. A lança empregada é refrigerada a água para protegê-la da alta temperatura dentro dos convertedores LD.

Notou-se uma necessidade de melhorar a desfosforação dentro do convertedor LD. Conforme já declarado, o desenho e controle da lança durante o sopro terão um efeito substancial no processo de fabricação do aço e na melhoria da qualidade do aço produzido.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Um objetivo da presente invenção é melhorar a geração de gotículas de metal líquido de forma a aumentar a área interfacial escória- metal para melhorar a desfosforação no convertedor LD. Uma vez que a desfosforação é essencialmente uma reação interfacial entre a escória e metal, o aumento das gotículas de metal aumentaria a eficiência da desfosforação. Na presente invenção, portanto, tem sido feito um esforço para melhorar a geração de gotículas no convertedor LD. A formação de gotículas de metal é essencialmente função da lança. Assim, a fim de melhorar a geração de gotículas de metal, a função dos jatos de oxigênio tem que ser considerada criteriosamente sob condições de fabricação de aço, ou muito próximas a tais condições.

Observou-se que a provisão de um furo central na lança de oxigênio cria bastantes gotículas de metal e causa divisão. A divisão é desvantajosa em virtude de poder causar o bloqueio da boca do convertedor e reduzir ainda mais a vida da lança e do revestimento do convertedor. Assim, embora o furo central possa produzir uma grande quantidade de gotículas, ele também apresenta desvantagens. Além da melhoria da geração de gotículas, o furo central tem uma vantagem adicional que foi até então desconhecida na siderurgia. 0 efeito da espuma de escória de alta densidade nas características do jato supersônico no convertedor LD foi considerado. Observou-se que a espuma da escória absorve todo momento suprido pelos jatos de oxigênio e os jatos perdem o momento completamente para a escória. Assim, o conhecimento existente sobre as características de jato de oxigênio supersônico no convertedor LD pode ser considero errado. Embora os estudos sobre geração de gotículas feitos usando modelos hidrodinâmicos de convertedor LD não revelem os verdadeiros mecanismos de produção de gotículas no convertedor LD, eles fornecem a base para um melhor entendimento da formação de gotículas. Uma vez que os jatos periféricos são expostos à espuma de escória, espera-se que eles percam todo o momento para a camada de escória através da interface jato-espuma de escória. Em virtude de os jatos de gás não terem momento suficiente quando eles atingem a superfície do metal fundido, eles não podem produzir gotículas de metal necessárias.

Entretanto, como o presente raciocínio sugere, o jato central cobrirá muito pouca ou nenhuma escória, comparado com os jatos periféricos. Os motivos para isto são que os jatos periféricos cobrirão o jato central e farão uma cobertura protetora do jato central da espuma de escória de alta densidade. Adicionalmente, existe uma pressão positiva por causa da presença do jato central, e isto também empurrará para fora os poucos aprisionamentos de espuma de escória para o espaço entre os jatos periféricos. Isto significa que o jato central não perderá seu momento para a camada de escória, e atingirá a superfície do metal com momento concentrado, isto é, com velocidade muito alta que rasgará a superfície do metal para produzir as gotículas de metal mais necessárias para melhorar a desfosforação.

Assim, fica claro que ter um jato central será vantajoso no aumento da produção de gotículas de metal que podem melhorar a taxa de desfosforação. Conforme explicado anteriormente, quando a escória espumosa está ausente durante os estágios inicial e final do sopro, o jato central causa enorme divisão, isto é, ejeção de líquido pela boca do convertedor. Assim, não é aconselhável ter um sopro muito intenso no furo central durante todas as fases do processo de fabricação LD. A divisão ou forte geração de gotículas de metal durante as fases inicial e final do sopro danificarão a lança, uma vez que não há proteção da espuma de escória. Espera-se que a presença da espuma de escória desacelere as gotículas de metal e proteja a lança e o refratário do convertedor do impacto das gotículas de metal. Fica claro pelos argumentos apresentados que ter um sopro forte no furo central é desvantajoso durante esses dois estágios do sopro.

Se o bico supersônico for operado a uma menor razão de pressão do que a razão de pressão de projeto, ou, em outras palavras, se o bico operar com um subsopro para reduzir a vazão para evitar divisão durante o estágio inicial, choques ou fortes descontinuidades na pressão, velocidade, temperatura e densidade do gás podem ocorrer na seção de desvio do próprio bico. Tais choques formados na seção de desvio podem afetar severamente o desempenho do bico supersônico e reduzirão a vida do bico consideravelmente. Além disso, em condições de aciaria, um choque como esse formado na seção de desvio do bico, pode succionar a espuma de escória a alta temperatura e gotículas de metal para o bico e pode ocorrer uma severa erosão e falha da lança. Fica claro que não é possível ter um alto grau de controle de vazões, necessários nas diferentes fases do processo LD de fabricação de aço, através do bico supersônico.

Por causa das considerações supramencionadas, na presente invenção observou-se que, tendo o bico subsônico, isto é, bico com apenas uma seção de convergência, por meio do que fica fácil controlar a vazão e uma ampla faixa de vazões pode também ser alcançada mudando-se a pressão de alimentação. Além disso, o problema de formação de choque não é com o bico que proporciona velocidades subsônicas. As explicações também deixam claro que não é possível controlar a vazão através do furo central sozinho, se todo o bico tiver a mesma linha de suprimento de gás. Conforme explicado anteriormente, a geração de gotículas precisa ser aumentada somente durante a duração intermediária do sopro e uma grande geração de gotículas durante os estágios inicial e final do sopro não é preferida. Para uma operação de lança como esta, um controle da vazão através do furo central é exigida e, conforme dito anteriormente, não é possível com o mesmo suprimento de gás oxigênio para todos os bicos. Assim, na presente invenção, foi provido um suprimento de gás separado e controlado para o furo central. Todos os outros seis bicos supersônicos periféricos podem compartilhar o suprimento de gás de alta pressão.

Assim, a presente invenção fornece uma lança aperfeiçoada para aciaria LD, compreendendo uma pluralidade de bicos supersônicos periféricos providos com uma única linha de suprimento de gás de alta pressão de entrada; e um bico central; em que o dito bico central é um bico subsônico provido com uma linha de suprimento de gás de baixa pressão separada; a vazão no dito bico subsônico central sendo controlada para variar a geração de gotículas de metal líquido durante o sopro de acordo com a exigência do processo.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DQS DESENHOS ANEXOS

A invenção será agora descrita com referência às figuras do

desenho, onde:

A figura 1 mostra o arranjo esquemático de um desenho de lança de 6 furos.

A figura 2 mostra um arranjo geométrico típico de um bico

supersônico.

A figura 3 mostra um esboço esquemático de um convertedor LD.

A figura 4 mostra um esboço esquemático da lança de 7 furos com linha de suprimento de ar separada nos experimentos de modelo hidrodinâmico.

As figuras 5(a) e 5(b) são fotografias mostrando a extensão de geração de gotículas no caso de uma lança de 6 bicos existente e uma lança de 7 furos da presente invenção.

A figura 6 mostra uma representação esquemática do mecanismo de geração de gotículas.

A figura 7 mostra as taxas de geração de gotículas com uma lança de 7 furos com diferentes razões de fluxo.

A figura 8 mostra o modelo computacional e a malha usados para simulação numérica.

A figura 9 dá uma visão mais de perto dos bicos.

A figura 10 mostra os contornos de velocidade para a lança de 7 furos com ângulo de inclinação de 17,5 0 com a presença de paredes do convertedor e superfície de metal.

A figura 11 mostra os contornos de temperatura com choque nos bicos com ângulo de 17,5

A figura 12 mostra contornos de velocidade mostrando a posição de impacto na superfície do metal.

A figura 13 mostra contornos de velocidade em diferentes locais axiais (a) X = 0,5 m (b) X = 1,0 m (c) X = 1,5 m e (d) X = 2,0 m.

A figura 14 mostra o diagrama esquemático do domínio com condições de contorno usadas para a simulação de ambiente de alta densidade.

A figura 15 mostra contornos de densidade da mistura próximos da saída do bico em um instante de tempo.

A figura 16 mostra perfis de taxas de fluxo de momento em diferentes locais axiais (a) saída do bico; (b) 0,5 m; (c) 1,5 m e (d) 2,5 m. A figura 17 mostra a representação esquemática de um desenho de lança de 7 furos.

Uma vez que se observou que o furo central aumenta a geração de gotículas, os mecanismos de geração de gotículas foram estudados por meio de experimentos em modelo hidrodinâmico em um modelo em escala reduzida 1:6 com o furo central mostrado no esboço esquemático da figura 3. Foi usado um modelo em escala reduzida de 1:6 do convertedor LD feito com plexiglas. Os modelos em escala reduzida dos desenhos de lança existentes e propostos foram feitos a fim de estudar as vantagens do furo central no aumento da geração de gotículas.

A parte superior do convertedor é feita de aço inoxidável, onde as porções cilíndrica e inferior do convertedor foram feitas de plexiglas para ter transparência exigida para visualização dos experimentos. A lança é constituída de cobre com a facilidade de colocar um desenho diferente de pontas de lança para investigação.

A lança em pequena escala foi projetada com seis diferentes bicos periféricos com um bico central mostrado na figura 4. Existem duas linhas pneumáticas separadas, a linha 1 é conectada a todos os seis bicos periféricos externos, ao passo que a linha 2 é conectada no bico central. A vazão no furo central foi controlada separadamente por meio de um conjunto de regulador de pressão e um rotâmetro de fluxo de ar conectados em série, ao passo que a vazão nos seis bicos periféricos foi controlada por meio de um outro conjunto de regulador de pressão e rotâmetro de fluxo de arranjo A inclinação dos bicos periféricos com o eixo central foi investigada a 17,5 0 (tal como existe na prática) e igualmente a 22 usando dois diferentes bicos de lança 3.

Os mecanismos de geração de gotículas foram investigados quando todos os 7 bicos estavam em operação, e foram feitas comparações somente com os seis bicos periféricos em operação. Nas figuras 5(a) e 5(b), a intensidade de geração de gotículas está mostrada para os casos do sopro apenas pelos bicos periféricos e soprando em todos os 7 furos, respectivamente. Pode-se perceber visualmente que a extensão de geração de gotículas é muito maior com o furo central em operação em conjunto com os bicos periféricos do que apenas com os bicos periféricos.

Observou-se que, durante os experimentos, existe uma vazão crítica depois da qual começa a geração de gotículas. O mecanismo para a taxa acelerada de geração de gotículas, por causa da presença do jato central, está explicado esquematicamente na figura 6. O jato central colide no metal líquido verticalmente e cria a forte depressão central da superfície líquida. A depressão assim formada é ondulada por natureza e fornece "aberturas da pá de água central", mostrada esquematicamente na figura 6. As aberturas de água assim formadas em torno da pá são então separadas pelos jatos laterais e geram uma maior produção de gotículas. Também se considerou que esses jatos laterais também impedem que a espuma de escória entre no espaço central entre os jatos periféricos no convertedor real e, portanto, garante que o jato central com seu alto momento atinja a superfície do banho metálico e permite a produção de gotículas de maneira similar à representada esquematicamente na figura 6.

A quantificação da geração de gotículas foi estudada a fim de entender a vazão ideal a ser dada através do bico central de forma a maximizar a taxa de geração de gotículas. A taxa de geração de gotículas é medida colocando um recipiente de coleta com dimensão 400 χ 100 χ 50 mm3 e as medições realizadas para a lança de 6 bicos existente e a nova lança de 7 furos com um bico central. A dimensão do recipiente foi decidida para medir a geração de gotículas efetiva em volta de um único bico dos 6 bicos periféricos. A taxa de geração de gotículas é expressa em termos de taxa de massa de gotículas coletada (g/s) no recipiente.

A taxa de geração de gotículas foi estudada para várias vazões no bico central para selecionar a vazão ideal no bico central de forma a maximizar a geração de gotículas. A razão de vazão, X, é definida como as razões de vazão no furo central para o de um dos bicos periféricos.

fluxo no bico central

X =-χ 100

fluxo em um dos bicos periféricos

A taxa de geração de gotículas contra a vazão está mostrada na figura 7. A vazão no bico central variou de uma vazão baixa de até 25 % até alta de até 125 %.

A vazão ideal no bico central é obtida mantendo-se o equilíbrio entre uma melhor geração de gotículas e o controle do respingo e divisão por causa de transbordamento do banho na boca do convertedor. Fica bem aparente que, à medida que a vazão no furo central aumentou progressivamente, a taxa de geração de gotícula foi aumentada. A figura 7 mostra que, para uma vazão, X, de 1 (100 %) dada no bico central, a geração de gotícula praticamente dobra e atinge um valor máximo. Além desta vazão, houve um respingo e transbordamento vigoroso na boca do modelo de água de convertedor LD que é detrimental para a operação do convertedor LD. Assim, a partir dos experimentos de modelo hidrodinâmicos, a vazão ideal, X, no furo central, é decidida que maximiza a taxa de geração de gotículas, mas sem respingo e transbordamento no convertedor.

Simulações numéricas foram realizadas usando suporte lógico de dinâmica de fluido computacional comercial, FLUENT, para estudar as características dos jatos que emanam da lança de 7 furos, explicado anteriormente, com 6 furos periféricos e um furo central. O ângulo de inclinação dos jatos periféricos foi escolhido para ser 17,5 ° como o valor inicial e é o mesmo dos desenhos de lança de 6 furos existentes. Um bico subsônico central foi adicionado para realizar as previsões de fluxo de jato pelos motivos anteriormente discutidos.

Para reduzir o tempo computacional das simulações numéricas para o novo desenho de lança, somente metade do domínio do fluxo total foi simulado dividindo todo o domínio usando o plano médio vertical do convertedor. Assim, dois jatos supersônicos completos e dois meios jatos supersônicos foram numericamente simulados. O jato subsônico central foi também simulado como um meio jato. As dimensões dos bicos supersônicos da figura (2) foram mantidas como as dimensões antigas, isto é, diâmetro de entrada 32,7 mm, diâmetro da garganta 25,7 e diâmetro de saída 37,3 mm.

Uma vez que a razão de vazão ideal a partir dos experimentos do modelo hidrodinâmico foi unitária, o bico subsônico foi projetado com um maior diâmetro de saída (54 mm), comparado com o do bico supersônico periférico (37,3 mm). Isto é necessário para empurrar a mesma vazão de massa no bico subsônico central e um dos bicos supersônicos.

Para acomodar um maior bico central, o diâmetro do tubo da lança teve que ser aumentado em 100 mm, comparado com as dimensões de lança existentes. A vazão em volume no bico subsônico central foi mantida praticamente a mesma de um dos jatos supersônicos periféricos. Isto significa que a vazão de massa em um dos bicos supersônicos na periferia, comparada com a do bico subsônico central, é diferente. Isto é pelo fato de que, em virtude do fluxo supersônico nos bicos externos, a temperatura de saída do bico cai para 150 K. Por causa disto, a densidade do gás na saída dos bicos supersônicos é muito maior, dado que a pressão é praticamente uniforme em qualquer lugar no convertedor. Para o jato central subsônico, tais baixas temperaturas na saída do bico não são atingidas.

Uma vez que se pretende variar o fluxo no bico subsônico central durante o sopro, a razão da vazão no bico subsônico para a de um bico supersônico é mantida como uma variável. Para manter os esforços numéricos pequenos, decidiu-se estudar o fluxo induzido pelos jatos somente para duas razões de vazão de volume. Essas foram escolhidas em 1,0 e 0,5. Os resultados das simulações são dados a seguir para razão de vazão em volume de IsO.

Nas figuras 8 e 9, o modelo computacional e a malha usados para a simulação numérica do projeto de lança de 7 furos sugerido estão mostrados. Mais de 1,3 milhões de nós de grade foram usados nas simulações dos fluxos de jato. As simulações foram realizadas com modelo k-ε padrão. 12 processadores de um agrupador Linux tera-flops foram usados para simulação e levou cerca de 72-80 para completar uma simulação de fluxo. Sabe-se bem que o modelo de turbulência k-ε prevê as características de fluxo dos múltiplos jatos com alguns desvios do fluxo real, mas os desvios não são grandes. Entretanto, é fácil obter rapidamente soluções razoáveis com modelo k-ε com curto tempo computacional. Por este motivo, este modelo foi usado.

Na figura 10, os contornos de velocidade no plano de simetria, para o caso da lança de 7 furos, estão mostrados na presença de paredes do convertedor e superfície do metal, para o ângulo de inclinação dos bicos periféricos de 17,5 Na simulação numérica, a superfície do metal foi considerada uma camada horizontal sem tensão. Observa-se pela figura 10 que os jatos seguem seu caminho geométrico bem de perto e a interação entre eles é pequena. Pode-se ver pela figura 10 que os jatos interagem somente nas elevações intermediárias.

Existe apenas uma pequena interação dos jatos próxima à superfície do metal, isto é por causa da zona de estagnação central na superfície do metal. A maior pressão de estagnação nesta região empurra os jatos para fora e reduz a coalescência.

Na figura 11, os choques formados nas pontas do bico do desenho de lança de 7 furos estão mostrados pelos contornos de temperatura. Pode-se perceber que existem menores choques também na saída do bico subsônico. Isto é por causa das diferenças na temperatura entre o ambiente e a saída do bico e às menores diferenças de pressão. Isto pode ser reduzido aumentando-se o ângulo da seção convergente do bico. Para as presentes simulações, o ângulo é mantido em 10

Na figura 12, os contornos de velocidade são colocados em gráfico no plano de simetria para mostrar as posições de impacto dos jatos na superfície do metal. As projeções geométricas dos jatos estão também mostradas na superfície do metal líquido por círculos escuros. Pode-se ver que os jatos praticamente seguem o caminho geométrico e a coalescência é mínima por causa da presença do jato central e da região de estagnação inferior. Na figura 12, os contornos de velocidade estão mostrados somente para as magnitudes de velocidade menores que 150 m/s. Pode-se observar que os jatos supersônicos e o jato subsônico central atingem o banho de metal líquido praticamente com as mesmas magnitudes de velocidade, embora as velocidades de saída nas respectivas zonas fossem diferentes.

Uma vez que o diâmetro de saída do bico é maior (54 mm) do que o diâmetro de saída do bico supersônico (37,3 mm), as velocidades mais próximas do banho de metal se casam.

Na figura 13, os contornos de velocidade são colocados em gráfico em diferentes distâncias axiais da ponta do bico para a lança de 7 furos. Pode-se ver pela figura 13 que até a distância axial de 1 m, as interações entre os jatos são mínimas. A uma distância de 1,5 m, existe uma considerável interação entre os jatos. Mas a região de estagnação inferior empurra os jatos para fora e a coalescência é reduzida em 2 m. As listras mostradas na figura 13 (d) são atribuídas à presença do jato central.

O gás no jato central tem que passar pelos jatos supersônicos em volta, uma vez que ele não pode passar através da superfície do metal (na simulação). Este tipo de característica de fluxo não pode acontecer no convertedor real, em virtude de, na simulação, a superfície do metal ser considerada uma parede plana sem tensão. No convertedor LD, o impacto do jato central criará uma depressão, que mudará as características de fluxo completamente. A fim de explicar o efeito da espuma de escória nas características do jato, os resultados do jato simples são aqui discutidos. A provável faixa de valores de densidade ambiente (espuma/emulsão) que são possíveis no convertedor LD foi calculada, considerando-se taxa de descarbonetação uniforme por todo o sopro. Decorre daí que a fração volumétrica da escória média na espuma dentro do convertedor será na faixa de 12-15 %. Isto resultaria em uma faixa de densidade ambiente média de 360-450 kg/m3.

O domínio numérico e as condições de contorno usadas estão mostrados na figura 14. O diâmetro do convertedor exigido para um único bico axi-simétrico foi calculado usando 1/6 da área seccional transversal do convertedor original (porque, de 6 bicos, somente um está sendo simulado). Além disso, a superfície do metal líquido foi considerada uma parede plana sem cisalhamento. A altura da lança (distância entre a ponta da lança e a superfície do metal líquido) é 3,5 m, a fim de estudar o comportamento do jato em uma longa distância axial. A real altura da lança no convertedor varia de 1,5-2,2 m.

As simulações foram realizadas usando um RANS não estacionário assimétrico 2D com modelo multifásico de fluido (VOF) para rastrear a interface entre as fases. Não foi feita diferenciação entre gás oxigênio e monóxido de carbono. Conseqüentemente, somente uma fase gasosa foi considerada. O modelo de turbulência k-ε Realizable foi usado para fechar o sistema de equações. Algoritmos PISO foram usados para par pressão - velocidade. Esquema de discretização de segunda ordem com avaliação à montante foi usado para todas as variáveis de fluxo, exceto temperatura, para a qual esquema de lei de potência é usado. A fração volumétrica de escória média (15 %), computada da taxa de descarbonetação estacionária, é remendada no domínio do convertedor como uma questão inicial. Durante a computação, a escória é livre para mover-se por todo o domínio, dependendo das condições de fluxo local, diferente da simulação anterior. As forças da tensão superficial também não foram incluídas nesta simulação quando se entra em um ambiente estável, o jato de gás com alta velocidade invoca fluxo no ambiente também.

Por causa do momento transferido ao ambiente, o fluido ambiente adjacente ao limite do jato começa mover-se na direção do fluxo predominante do fluido do jato. Assim, o fluido ambiente nos locais vizinhos move-se em direção ao jato em virtude deste fluxo induzido pelo jato. Escória juntamente com o gás ambiente corre em direção ao limite do jato por causa do fluxo induzido pelo jato. Aqui, escória acumula e a fração volumétrica/densidade local aumenta. O momento transferido do jato impõe movimento na escória e lentamente a escória cobre o núcleo do jato a alta ventilador. Os contornos da densidade da espuma da escória perto da ponta do bico são colocados em gráfico na figura 15a fim de mostrada o acúmulo de escória na ponta do bico e seu movimento ao longo do jato.

A taxa de fluxo do momento resultante (pV) em diferentes locais axiais está mostrada na figura 16 em um instante de tempo particular. Vale a pena notar que a taxa de fluxo do momento máximo não ocorre no eixo do jato, mas fora dele na direção radial mostrada na figura 16. O núcleo a alta velocidade do jato bobeia continuamente momento para a camada de cisalhamento do jato, tanto convectivamente quanto difusivamente. A velocidade no eixo é ainda a máxima em qualquer local axial.

Assim, o transporte difiisivo de momento axial na direção radial ( ) será em direção à camada de cisalhamento a partir do eixo do jato. Uma vez que o jato está espalhando, a velocidade radial, v, será em direção à camada de cisalhamento dentro do jato, e assim o transporte convectivo líquido de momento na direção radial (puv) é também na direção da camada de cisalhamento.

Uma vez que a densidade do fluido da camada de cisalhamento (escória + gás) é muito alta, comparada com a do gás do jato, a camada de cisalhamento pode armazenar fluxantes de maior momento sem aumentar a velocidade enormemente, exatamente como o armazenamento de energia térmica em um reservatório com calor específico/capacitância térmica específica sem diferenças de temperatura apreciáveis. Além disso, a gravidade está ajudando a camada de escória ganhar momento, isto é, a camada de escória move-se na direção da aceleração gravitacional.

O momento transferido do núcleo do jato a alta velocidade para a camada de cisalhamento de alta densidade será em adição ao momento conferido pela aceleração gravitacional. A partir dos gráficos de taxas de fluxo do momento mostrados na figura 16, a taxa de fluxo do momento na camada de cisalhamento de alta densidade é no mínimo duas ordens de grandeza maior que a do núcleo do jato a alta velocidade. Fica claro pela discussão apresentada que a espuma escória-gás de alta densidade no convertedor LD possui algumas características de fluxo interessantes dos jatos de gás supersônicos. O entendimento das depressões criadas durante o sopro pode ser completamente alterado.

E importante notar que os múltiplos jatos supersônicos dentro do convertedor de aço LD também será sujeito a tais características mostradas anteriormente por causa da presença de espuma de escória de alta densidade. E claro pelas discussões apresentadas que os jatos supersônicos periféricos perderão todo seu momento para a camada de escória adjacente a eles. As camadas de escória moverão em direção ao banho de metal líquido com momento muito alto e criam perfis de depressão complicados. Mas, por causa da presença do jato central no novo desenho de 7 furos, a pressão no espaço entre os jatos supersônicos impedirá o aprisionamento nesta região.

Assim, o jato central não verá, ou verá de forma mínima, a espuma de escória e, diferente dos jatos supersônicos, não perderá seu momento completamente para a espuma de escória. Assim, o jato central atingirá a superfície do metal líquido com velocidades muito altas, comparadas com a dos jatos supersônicos, e espera-se produzir mais gotículas. Este tipo de produção de gotículas não é possível com o desenho de 6 furos, uma vez que todos os 6 jatos supersônicos perderão completamente seu momento para a camada de escória que se move de forma relativamente lenta. Fica claro pelas discussões apresentadas que o desenho de 7 furos é mais eficiente do que o desenho convencional de 6 furos.

uma modalidade da presente invenção, com um desenho de 7 furos, está mostrada esquematicamente na figura 17. Ela mostra 6 jatos supersônicos periféricos com um jato central. O jato central deve ser controlado separadamente com uma linha de suprimento de gás separada, ao passo que os jatos supersônicos periféricos terão uma única linha de suprimento de gás de entrada. A linha de suprimento de gás para os 6 jatos supersônicos periféricos e a linha de suprimento de gás para os jatos subsônicos centrais são providos com duas válvulas de controle separadas com atuadores. Ojato central pode ser posto em operação durante diferentes estágios do sopro e a vazão pode também variar de acordo com a exigência do processo, uma vez que ele é um bico subsônico.

A vazão no bico subsônico central é mantida como uma variável, nas simulações numéricas e experimentais, a razão da vazão em volume no bico subsônico central e a de um dos bicos supersônicos é mantida como uma variável. O valor máximo desta razão é mantido como 1 em simulação numérica. As dimensões do bico central são calculadas tendo isto em mente. O diâmetro externo do bico subsônico é 54 mm e o do bico supersônico é 37,3 mm (valor existente).

O ângulo de inclinação dos jatos periféricos é mantido em 17,5 % (o valor existente). A fim de ver o desempenho de uma lança de 7 furos com ângulo modificado para os jatos periféricos, foi realizado um estudo para um arranjo de jatos com o ângulo 22 0 para a inclinação dos jatos laterais. Adicionalmente, o ângulo de inclinação dos bicos supersônicos periféricos pode ser igual ou variado alternadamente. O ângulo de inclinação variado alternadamente pode ter uma vantagem distinta. Conforme mostrado anteriormente, a cobertura da espuma de escória na superfície do jato resulta em uma menor velocidade do jato de gás e a camada de escória que cobre o jato atinge a superfície do metal líquido com alto momento. Este impacto da camada de escória no metal líquido criará uma grande quantidade de gotículas no metal líquido e criará área interfacial para reações escória-metal. Mantendo-se o ângulo de inclinação variando alternadamente, a área superficial do jato que é coberta com a camada de escória pode ser aumentada, e mais escória pode atingir o metal líquido com alto momento. É de se esperar que isto melhore as reações interfaciais tal como desfosforação.

Através de simulações numéricas e experimentais, e também em consideração a diferentes dinâmicas dentro do convertedor de aciaria LD, o desenho de lança de 7 furos seguinte foi obtido em uma modalidade preferida. Este desenho é muito superior aos desenhos existentes e pode ter um melhor desempenho nas condições de fabricação de aço.

6 bicos supersônicos periféricos com uma única linha de suprimento de gás.

Um bico subsônico maior central com um suprimento de gás

separado.

O bico central pode ser posto em operação durante diferentes estágios do sopro, da maneira exigida, e a vazão pode também variar facilmente sem sofrer com a vida do bico.

O ângulo de inclinação dos jatos periféricos é mantido em 17,5 Este ângulo pode ser aumentado nas modificações posteriores.

Os recursos vantajosos da presente invenção fornecem melhor controle liga/desliga do bico central durante o sopro em virtude da linha de suprimento de gás separada. Isto dará um controle mais robusto da divisão das gotículas de metal no convertedor.

O maior bico subsônico no centro da cabeça da lança é usado para controlar a vazão de oxigênio através do bico central. Isto significaria mais flexibilidade e controle do processo.

O sistema proporciona maior geração de gotículas de metal. Uma vez que o jato central é protegido da espuma de escória pelos jatos periféricos, isto atingiria o banho metálico com altas velocidades e promoveria maior geração de gotículas.

O sistema proporciona maior eficiência na desfosforação. A melhor geração de gotículas de metal promoverá as reações interfaciais, particularmente, desfosforação.

A presente invenção foi descrita com referência a certas modalidades que são apenas ilustrativas, e não limitantes. Mudanças nos detalhes e formas podem ser feitas pelos versados na técnica sem fugir do escopo e intento da invenção. Foi mostrado que o objetivo de melhorar a desfosforação em processo de aciaria LD é alcançado aumentando-se a geração de gotículas de metal líquido. Em outras indústrias de processamento, onde pode haver outros objetivos, que podem também ser alcançados aumentando-se a geração de gotículas de líquido, o sistema da presente invenção pode ser usado.

Claims (7)

1. Lança aperfeiçoada para aciaria LD, caracterizada pelo fato de que compreende: - uma pluralidade de bicos supersônicos periféricos dispostos em volta de um eixo central da dita lança, ditos bicos periféricos sendo providos com uma única linha de suprimento de gás de alta pressão de entrada; e - um bico central; em que o dito bico central é um bico subsônico provido com uma linha de suprimento de gás de baixa pressão separada; e em que a vazão no dito bico subsônico central é controlada para geração variada de gotículas de metal líquido durante o sopro de acordo com a exigência do processo.

2. Lança aperfeiçoada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que ela compreende seis bicos supersônicos periféricos e um bico subsônico central.

3. Lança aperfeiçoada, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizada pelo fato de que o dito bico subsônico central é provido somente com uma seção de convergência para controlar facilmente a vazão nele.

4. Lança aperfeiçoada, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que o dito bico subsônico central tem um maior diâmetro de saída que o do dito bico supersônico periférico.

5. Lança aperfeiçoada, de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a linha de suprimento de gás para a dita pluralidade de bicos supersônicos periféricos e a linha de suprimento de gás para os ditos bicos subsônicos centrais são providos com duas válvulas de controle separadas com atuadores para controlar a vazão neles.

6. Lança aperfeiçoada, de acordo com a reivindicação 5, caracterizada pelo fato de que a dita válvula de controle provida para o dito bico subsônico central é para variar a vazão nele para evitar divisão durante o estágio inicial do sopro e para controlar a dinâmica de reações durante o sopro, alterando a intensidade da taxa de geração de gotículas de metal.

7. Lança aperfeiçoada, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizada pelo fato de que os ditos bicos supersônicos periféricos podem ter ângulos de inclinação iguais ou variados em relação ao eixo vertical da lança.