Title

Simulação física da injeção de gás por lança submersa

Physical simulation of gas injection by submerged lance

Authorship

ROQUE, MATHEUS FREITAS; GARCIA, NAIARA APARECIDA MARTINS; OLIVEIRA, LEONARDO JOSÉ SILVA DE; SILVA, MARLON JOSÉ DOS ANJOS

ROQUE, MATHEUS FREITAS

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GARCIA, NAIARA APARECIDA MARTINS

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OLIVEIRA, LEONARDO JOSÉ SILVA DE

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SILVA, MARLON JOSÉ DOS ANJOS

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DOI

10.5151/2594-5300-43065

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Abstract

A agitação por gás inerte é essencial na aciaria secundária para promover a homogeneização química e térmica do aço líquido. Na aciaria da Usiminas, lanças refratárias submersas pelo topo são utilizadas quando os plugues porosos de fundo falham, aumentando a confiabilidade operacional, mas podendo levar a regiões estagnadas abaixo da ponta da lança. Este estudo investiga o comportamento do tempo de mistura e identifica condições eficientes de agitação para a injeção de gás exclusivamente por lança. Um modelo físico em escala reduzida de 1:5 foi desenvolvido, e o tempo de mistura foi medido utilizando a técnica de traçador salino por pulso. As condições de injeção de gás foram classificadas em níveis de intensidade baixa, intermediária e alta, derivadas das vazões industriais de argônio e escalonadas de acordo com critérios de similaridade baseados no número de Froude modificado (Fr′), incluindo correções de compressibilidade do gás para temperatura e pressão normais. Os resultados mostram que o aumento da vazão de gás da intensidade baixa para a intermediária reduziu significativamente o tempo de mistura, devido ao aumento da recirculação impulsionada pelo empuxo. Aumentos adicionais para a alta intensidade resultaram em melhorias apenas marginais, provavelmente porque o excesso de energia foi dissipado na superfície livre. Com base nesses achados, definiu-se uma janela operacional para otimizar a eficiência da agitação na operação apenas com lança na aciaria secundária da Usiminas.

Inert gas stirring is essential in secondary steelmaking to promote chemical and thermal homogenization of the molten steel. At the Usiminas Steelmaking Plant, topsubmerged refractory lances are used when bottom porous plugs fail, increasing operational reliability but potentially leading to stagnant regions beneath the lance tip. This study investigates mixing time behavior and identifies efficient stirring conditions for lanceonly gas injection. A 1:5 reducedscale physical model was developed, and mixing time was measured using a pulseinput saline tracer technique. Gas injection conditions were classified into low, intermediate, and high intensity levels, derived from industrial argon flow rates and scaled according to similarity criteria based on the modified Froude number (Fr′), including gas compressibility corrections to standard temperature and pressure. Results show that increasing gas flow from low to intermediate intensity significantly reduced mixing time due to enhanced buoyancydriven recirculation. Further increases to high intensity resulted in only marginal improvements, likely because excess energy was dissipated at the free surface. Based on these findings, an operational window was defined to optimize stirring efficiency for lanceonly operation in Secondary Steelmaking at Usiminas.

Keywords

Refino secundário, Modelagem física, Tempo de mistura, Agitação exclusiva por lança

Secondary steelmaking, Physical modeling, Mixing time, Lanceonly stirring